Progetto Radiometeore - ISIS Dante Alighieri Gorizia

www.isisalighieri.go.it/duca/iv3rzm.htm/
Progetto RADIOMETEORE
Rilevazione dell'attività meteorica con tecniche radio
Introduzione.
Il Liceo Scientifico Duca degli Abruzzi di Gorizia è dotato di una stazione radioamatoriale
(call sign: IV3RZM) attiva ormai da alcuni anni anche nel rilevamento e conteggio delle
meteore con tecniche radio. Ciò avviene grazie al fenomeno noto come Meteor-Scatter:
il passaggio di un meteoroide in atmosfera lascia una scia di gas ionizzato che diffonde o
riflette le onde radio ad essa incidenti, su frequenze ove normalmente non è possibile la
ricezione oltre l’orizzonte radio. Sintonizzandosi su una frequenza ove irradia un
trasmettitore di caratteristiche note (il cui segnale normalmente non è ricevibile), il
passaggio di una meteora è segnalato da un eco del segnale proveniente dal
trasmettitore considerato. Tale principio può quindi essere utilizzato per le osservazioni
delle meteore in banda radio.
Da ciò è nato un progetto didattico, ideato dal collaboratore esterno, ing. Massimo
Devetti, e dal prof. Giovanni Aglialoro, che vuole coinvolgere annualmente, in questa
originale attività di ricerca, gli allievi delle classi quinte C e D.
Vista la disaffezione verso le facoltà scientifiche, nonché per sopperire al misero monte
ore destinato nei licei scientifici a materie come scienze e fisica, crediamo che attività
come questa aiutino molto gli studenti ad avvicinarsi alla Scienza.
Fig. 1: Meteor-Scatter
Obiettivi.
Il lavoro consisteva nel rilevare l'attività meteorica con tecniche radio:
-- rilevazione della variazione giornaliera delle meteore sporadiche
(giornate “normali”);
-- rilevazione dell’attività in occasione di sciami meteorici.
E’ stato utilizzato un sistema radio ricevente, connesso a un pc, con cui si ricevono e
acquisiscono gli echi meteorici; grazie ad un software di conteggio vengono effettuate poi
delle stime dell’attività meteorica (soprattutto numero degli echi e durate).
Per stimare, e poi visualizzare, il livello di attività meteorica del periodo temporale
considerato si procede successivamente ad una elaborazione (con foglio di calcolo e altri
software dedicati) dei dati rilevati.
L’attività, dal punto di vista degli allievi, prevedeva quindi momenti di osservazione
(ricezione degli echi), misura, raccolta dati e, infine, elaborazione al computer attraverso
fogli di calcolo.
Ci sono stati due momenti di incontro-lezione tra gli autori e le due classi al completo,
uno iniziale per introdurli all’attività e uno finale per commentare i risultati ottenuti.
Strumentazione e dati tecnici.
La gamma di frequenze VHF è, per vari motivi, la più conveniente per effettuare
osservazioni. In particolare è stata scelta la Banda I di diffusione televisiva, andando a
ricevere la portante video di un segnale TV.
Il trasmettitore televisivo da scegliere per le osservazioni deve essere sufficientemente
distante in modo da non essere normalmente ricevibile per via troposferica, ma non
troppo distante per non uscire dalle condizioni fisiche che permettono la propagazione via
meteor scatter. Il trasmettitore deve essere attivo h24 per consentire osservazioni
continuative e non deve essere interferito da altri trasmettitori troppo vicini in frequenza.
Country
Video
(MHz)
Audio
(MHz)
City
Station
Video ERP
(W)
Audio ERP
(W)
Coordinates
HAAT
(m)
Denmark
55.0521
60.0521
Fyn
DR 1
25.000
1250
10° 29’ E
/ 55°17’ N
221
Fig. 2 - Trasmettitore televisivo utilizzato
(da: www.w9wi.com/articles/eu-band-I.htm)
E’ stato quindi approntato un sistema ricevente, costituito da un’antenna tipo Yagi,
autocostruita ed accordata sui 55 MHz, seguita da un preamplificatore autocostruito ed
installato in prossimità dell’antenna, onde minimizzare il fattore di rumore del sistema.
Vista la natura dei segnali ricevuti e la presenza in banda di forti emittenti vicine, per
eliminare eventuali problemi di sovraccarico a livello del mixer, è stato previsto l’impiego
di un attenuatore calibrato variabile, a valle del preamplificatore. Il ricevitore vero e
proprio è un prodotto commerciale, che non essendo in grado di coprire la banda di
lavoro, è preceduto da un convertitore di frequenza autocostruito. Quest’ultimo è
costituito da un oscillatore locale e mixer/amplificatori/filtri in grado di convertire un
segnale sulla banda utile (53-55 MHz) in un segnale sul range di frequenza su cui il
ricevitore è in grado di operare.
Fig. 3 - Configurazione attuale dell’osservatorio radiometeorico
Il sistema ricevente è schematizzato in Fig. 3. Dal ricevitore vengono prelevate due
uscite: una è relativa alla tensione AGC (controllo automatico di guadagno del ricevitore)
che segnala la ricezione di un certo livello di “segnale” (che può essere tanto segnale
utile quanto rumore). Proprio per discriminare il segnale utile (eco meteorico) dal
disturbo, viene prelevata anche l’uscita audio del ricevitore, in modo tale che via software
(algoritmo di autocorrelazione) si possa determinare se la variazione della tensione AGC
sia dovuta a un eco meteorico o meno. Tale algoritmo esegue un’analisi spettrale del
segnale, ricercando entro una certa finestra frequenziale il tono audio corrispondente alla
portante video emessa dal trasmettitore osservato [5]. La funzione di autocorrelazione
assumerà valori elevati in corrispondenza di un eco ricevuto e viceversa valori bassi in
presenza di puro rumore, consentendo pertanto di stabilire una discriminazione tra
segnale utile e noise. [6]
Il software di acquisizione provvede al conteggio degli echi in intervalli di tempo
prefissati, e al raggruppamento dei conteggi in base alla durata degli echi ricevuti.
L’output del programma è costituito da file di testo generati automaticamente ogni
24 ore.
La configurazione del sistema si può così sintetizzare:
Antenna: Yagi 4 elem. per i 55 MHz, G = 6,5 dBd; HPBW (a -3db) =65°;
Preamplificatore (sotto l'antenna): mosfet BF981, G = 16 db, N.F. = 1 db;
Linea di discesa coassiale: 15 m di RG213
Step attenuator: 0,1 - 40 db;
Converter: L.O. = 94 MHz, uscita 40 mW (+16 dbm);
Up converter in ricezione: 2x BF981 + mixer SBL1, G = 20 db, N.F. = 1,5 db
Ricevitore I.F.: Yaesu FRG 9600 (uscita audio, uscita AGC)
Scheda A/D: 8 bit Flytec FPC010
Computer: PC Pentium 133 MHz e s.o. Windows 98
Software: Automatic Meteor Counting System by IV3NDC
R270406.raw
Legenda:
tot dur = durata
totale oraria di
echi meteorici
met = numero
totale di
echi ricevuti
1 met = numero
echi di durata
fino a 1 s
ping = eco breve
(tipic. ≤ 0.8 s)
burst = eco
lungo
(tipic. > 0.8 s)
dd mm yy hh mm ss
tot
dur
met
27
27
27
27
27
27
27
27
27
27
27
27
27
27
27
28
28
28
28
28
28
28
28
28
0
76
143
87
67
151
239
61
52
19
29
8
11
46
32
84
84
58
94
240
501
137
157
45
0
44
54
27
41
51
33
23
18
5
5
4
4
15
17
24
39
25
58
93
49
66
56
22
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4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
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4
4
4
4
4
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
6
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8
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
0
1
2
3
4
5
6
7
8
53
33
33
33
33
33
33
33
33
33
33
33
33
33
33
33
33
33
33
33
33
33
33
33
59
59
59
59
59
59
59
59
59
59
59
59
59
59
59
59
59
59
59
59
59
59
59
59
0.5
1
5 10 25 long
met met met met met met
0
42
51
24
39
43
23
22
12
4
4
4
4
10
16
18
36
21
54
83
39
56
48
21
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2
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4
1
4
2
3
3
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8
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1
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3
3
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Fig. 4 - Esempio di file di testo generato come output dal programma di conteggio
(R270406.raw)
R270406.hr
Fig. 5 - Esempio di file di testo generato come output dal programma di conteggio
(R270406.hr)
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Fig. 6 Esempio di schermata del
software di acquisizione
Risultati.
Nel 2006 l’attività osservativa è stata orientata principalmente alla verifica delle
variazioni giornaliere e stagionali del flusso di meteore sporadiche.
E’ noto che tale flusso ha variazioni stagionali e giornaliere, queste ultime legate
principalmente all’altezza del punto di Apice rispetto all’orizzonte: tale punto corrisponde
alla regione di atmosfera avente la massima probabilità di intercettare meteore.
L’andamento del flusso è in prima approssimazione sinusoidale, con massimo nelle prime
ore nel mattino e minimo in prima serata. Secondo il modello detto di “Radiante
Uniformemente Distribuito” [1] il flusso meteorico è funzione dell’”osservabilità” del
punto di Apice rispetto all’orizzonte (sia ottico che radio); l’osservabilità risulta ottimale
proprio nelle prime ore del mattino, degradando nel corso della giornata per tornare su
livelli ottimi al mattino successivo. Più intuitivamente, basta notare che proprio nelle ore
mattutine l’osservatore si trova sulla zona della Terra orientata nel verso di avanzamento
del moto orbitale terrestre; tale posizione consente di intercettare un maggior numero di
meteore, con la massima velocità relativa tra Terra e meteoroidi. I risultati osservativi,
di cui di seguito si riportano alcuni esempi, confermano pienamente le previsioni teoriche,
mostrando uno spiccato aumento del flusso meteorico nelle ore mattutine ed un minimo
nelle ore serali (figura 7). Anche la distribuzione della durata degli echi (figura 8), legata
alla massa dei meteoroidi, rispetta quanto noto dalla teoria [1], ovvero le meteore sono
tanto meno numerose quanto maggiore è la loro massa.
Fig. 6 Variazione tipica giornaliera
del
flusso meteorico
(da: D.W.R. McKinley:
Meteor Science
and Engineering)
Fig. 7 - Esempio di variazione giornaliera di flusso meteorico, rilevato
col sistema descritto (giornata “normale”)
Fig. 8 - Esempio di distribuzione di durate degli echi su base giornaliera
(giornata “normale”)
Nel corso del 2007 sono stati oggetto di studio alcuni sciami meteoritici. Per rilevare,
riconoscere e poi eventualmente “estrarre” l’attività di un determinato sciame dal flusso
giornaliero, si deve conoscere la Funzione di Osservabilità, relativa allo sciame
considerato (oltre che funzione del tempo e della geometria di tratta).
Tale funzione dipende principalmente dall’altezza del Radiante dello sciame rispetto
l’orizzonte, e dalla direzione reciproca (in Azimut) tra stazione Trasmittente, Ricevente e
Radiante, in funzione del tempo. A titolo di esempio viene riportata la funzione di
Osservabilità (approssimata) relativa alla sciame delle Liridi, valida per la tratta FynGorizia.
Approximate Observability Function - Gorizia to Fyn - Lyrids 2007
1
0.9
0.8
Efficiency %
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Local Time
Fig. 9 - Esempio di funzione di osservabilità: Liridi 2007
(efficiency vs local time)
La curva di attività meteorica misurata è la somma dell’attività “normale” (flusso
giornaliero di meteore sporadiche) con l’attività meteorica correlata allo sciame.
L’osservazione comparata della curva di attività totale e della curva di Osservabilità
permette l’identificazione degli intervalli ove la maggiore attività meteorica rispetto al
normale è da imputarsi al contributo dello sciame.
Tali intervalli possono quindi essere evidenziati come mostrato in Fig. 10, sempre in
riferimento allo sciame delle Liridi.
Fig 10 - Liridi 2007 (predicted peak: Apr 22, 22.30 UT - source: IMO)
Lo stesso metodo è stato applicato nell’osservazione degli sciami delle Eta Aquaridi
(maggio 2007) ed Orionidi (ottobre 2007). In tutti gli sciami osservati, il profilo di
attività misurato è compatibile con la Funzione di Osservabilità prevista; inoltre il punto
di massimo rilevato dell’attività meteorica di sciame (pure estrapolabile dall’analisi
comparata di curva di attività totale e Funzione di Osservabilità), è risultato sempre
essere in ottimo accordo tanto con le previsioni teoriche che con i dati riportati da altri
osservatori, a conferma dell’accuratezza del nostro sistema.
Di particolare interesse l’osservazione dello sciame delle Alfa Aurigidi (settembre 2007)
dove l’aumento anomalo di attività meteorica (outburst), previsto da Jenniskens /
Lyytinen [7] è stato confermato, con notevole precisione temporale, anche dai dati da noi
raccolti. Si veda al riguardo la Fig. 11.
Uncorrected Hourly Counts / a-Aurigids 2007
900
AUR Outburst
Underdense
Total
800
Overdense
Uncorrected RHR (counts/hour)
700
600
500
400
300
200
100
0
8
12
18
29 Aug.
0
6
12
18
30 Aug.
0
6
12
18
31 Aug.
0
6
12 18
1 Sept.
0
6
12
18
2 Sept.
0
6
12
3 Sept.
18
0
6 9
Time UT
4 Sept.
Fig 11 - Outburst in Alfa Aurigidi 2007
(predicted peak: Sept. 1, 11.33 UT ± 20 min. - source: Jenniskens/Lyytinen)
Conclusioni.
Dal punto di vista didattico la ricaduta dell’attività è stata senza dubbio positiva.
Si sono affrontati e approfonditi argomenti del corso di Scienze il cui apprendimento è
stato verificato attraverso colloqui orali. Tutti gli allievi, in aula informatica, hanno
imparato a usare un foglio di calcolo per elaborare e presentare i dati raccolti.
Tre allievi, particolarmente interessati al progetto, hanno presentato questo lavoro,
insieme agli autori, al convegno annuale di Radioastronomia Amatoriale “ICARA 2007”
tenutosi a Brasimone (BO).
Dal punto di vista scientifico la validità delle rilevazioni è stata confermata dalla
quantità e qualità degli echi di meteore che continuiamo a ricevere e dalla conferma delle
previsioni teoriche in termini di flusso meteorico rilevato.
Questo tipo di attività coniuga benissimo, a nostro avviso, validità scientifica e
originalità di ricerca; la ricaduta curricolare risiede soprattutto nell’esempio/ stimolo che
vogliamo dare ai giovani per avvicinarli alla Scienza, facendo capir loro che non esiste
solo la Big Science (grandi investimenti, strumentazione costosa) e come si possa
contribuire alla ricerca anche con budget limitati ma con preparazione e idee valide.
Attività future.
La nostra attività in questo settore è iniziata a dicembre 2005 e continua tuttora, dato
che l’impianto, una volta acceso e settato provvede al conteggio e salvataggio
automatico dei dati relativi agli echi.
Particolare attenzione verrà posta in futuro all’osservazione di sciami minori e periodici,
ed alla rilevazione di occasionali aumenti di attività (outbursts) degli sciami stessi.
Gli upgrade che prevediamo consisteranno in:
-- caratterizzazione completa del sistema ricevente: stima della Magnitudine
Limite,
determinazione del valore ottimale di attenuazione per il miglior compromesso
sensibilità/accuratezza;
-- sviluppo di un algoritmo per la correzione dei dati rilevati , nonché del software per la
stima del profilo di attività del solo sciame osservato.
Ringraziamenti.
Un sentito ringraziamento…
agli allievi Chiara Corriga, Chiara Pizzol, Simone Kodermaz;
al Collegio Docenti del polo liceale goriziano;
ai Dirigenti Scolastici che, dall’inizio del progetto, si sono succeduti alla guida della
scuola: proff. Pietro Biasiol, Guido de Fornasari, Laura Fasiolo.
Bibliografia.
[1] McKinley D.W.R., Meteor science and engineering, McGraw-Hill, 1961
[2] Sartori G., Dreschig F., Radar bistatico in banda VHF per il monitoraggio di impatti
meteorici in atmosfera, Astronomia UAI n° 4, lug.-ago. 2006
[3] Falcinelli F., Radioastronomia amatoriale, Il Rostro, 2003
[4] Oppenheim A.V., Schafer R.W, Digital Signal Processing, Prentice Hall, 1975
[5] http://digilander.libero.it/astrogi/autocorrelaz.htm
[6] Mallama A., Espenak F., Automated Meteor Detection and the Leonid Shower,
Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 111:359-363, Mar. 1999
[7] Jenniskens P., Lyytinen E., Meteor Outbursts from Long-Period Comet Dust Trails,
Icarus Vol. 162, pp. 443-452, Apr. 2003
www.w9wi.com/articles/eu-band-I.htm
frequenze dei trasmettitori tv europei
www.imo.net/radio International Meteor Organization
www.iaragroup.org/meteore/
dedicata alle meteore
Sezione di IARA (Italian Amateur Radio Astronomy)