Introduzione

Viene di seguito presentato un progetto didattico svoltosi, a partire dal 2006, al Liceo Scientifico Duca degli Abruzzi di Gorizia. La scuola è dotata di una stazione radioamatoriale, con nominativo IV3RZM, attiva ormai da diversi anni; uno dei realizzatori (Aglialoro), docente di scienze, è l’operatore responsabile.

Il progetto, stimolato e supportato da un appassionato di Meteor-Scatter (ing. M. Devetti) ha visto coinvolti gli allievi di classi quinte in una originale attività di ricerca, inerente argomenti del corso di Scienze delle classi quinte, con l’intento di mostrare come si possa fare della ricerca scientifica anche con mezzi tutto sommato modesti. Questo tipo di attività è iniziata nel 2006 con la prima messa a punto del sistema ricevente e con la ricezione di echi in giornate di normale attività meteorica.

  Obiettivi

Il lavoro consisteva nel rilevare l'attività meteorica con tecniche radio, in particolare:
-- Rilevazione della variazione giornaliera delle meteore sporadiche (giornate “normali”);
-- Rilevazione dell’attività in occasione di sciami meteorici.

Il meccanismo fisico che permette tali osservazioni è conosciuto come meteor-scatter.
Si è utilizzato un sistema radio ricevente, connesso a un pc, con cui si possono ricevere e acquisire 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 analisi dei risultati. Ci sono stati due momenti di incontro-lezione tra gli autori e le due classi al completo, uno iniziale, per introdurli al tipo di ricerca e di rilevazione dati, e uno finale per commentare i risultati ottenuti.

 Meteor-Scatter: il meccanismo fisico

Il passaggio di un meteoroide in atmosfera lascia una scia, più o meno densa e persistente, di gas ionizzato. Tale volume di spazio è in grado quindi di diffondere o riflettere le onde radio ad essa incidenti, anche su frequenze relativamente alte, fino a che la densità di ionizzazione rimane su valori sufficientemente elevati. A causa infatti della ricombinazione tra ioni ed elettroni liberi (peraltro facilitata dall’azione dei venti ionosferici), la densità di ionizzazione della traccia meteorica permane solo per un certo intervallo di tempo ad un valore tale da garantire la riflessione su una certa frequenza.

Per un intervallo di tempo che può andare da frazioni di secondo (spesso) ad alcuni minuti (più raro), la traccia ionizzata lasciata da una meteora è in grado quindi di creare le condizioni per la propagazione di onde radio a grande distanza, anche su frequenze VHF-UHF ove ciò normalmente non avviene.
Tale fenomeno può essere utilizzato per effettuare collegamenti a grande distanza, con modalità operative molto particolari, su frequenze ove normalmente altre forme propagative non permettono il contatto.
Visto però che la ricezione temporanea della stazione lontana segnala anche l’entrata in atmosfera di un meteoroide, questa tecnica può essere usata anche per il monitoraggio e l’osservazione dell’attività meteorica. Sintonizzando il ricevitore sulla frequenza di trasmissione di un emittente lontana, normalmente non ricevibile, si è in grado di ricevere tale emittente per brevi intervalli di tempo. Ciò avverrà ogni qualvolta il passaggio di una meteora crea una traccia ionizzata, ad altezza e direzione opportuna rispetto alla tratta tra le due stazioni.
Questi echi ricevibili, una sorta di fischi, si distinguono in ping (brevi, < 0,8 s, e più frequenti) e burst (più lunghi e rari).

  Dati tecnici

E’ stato approntato un sistema ricevente, costituito da un’antenna direttiva, 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 talvolta di forti emittenti vicine, per eliminare eventuali problemi di sovraccarico a livello del mixer, si usava un attenuatore calibrato variabile a valle del preamplificatore. Il ricevitore vero e proprio è un apparato commerciale (Yaesu FRG9600) preceduto da un convertitore di frequenza autocostruito (dato che l’apparato non copriva la gamma desiderata).
Dal ricevitore vengono prelevate due uscite: la 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.
L’algoritmo di autocorrelazione, applicato a un generico segnale, è in grado di individuare, tramite opportuna funzione, eventuali periodicità all’interno del segnale esaminato [4]. Si esegue in tal modo un’analisi spettrale del segnale, ricercando entro una certa finestra frequenziale il tono audio corrispondente alla portante video emessa dal trasmettitore osservato. La funzione di autocorrelazione assumerà valori elevati in corrispondenza di un eco ricevuto (tono della portante video, spettro “concentrato”) e viceversa valori bassi in presenza di puro rumore (spettro “distribuito”).
L’osservazione del valore di detta funzione consente pertanto la discriminazione tra segnale utile e rumore [5]. 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 files di testo (quindi di poco “peso” in termini di memoria occupata), vengono generati automaticamente (ogni 24 ore), in modo che l’operatore possa scaricare in maniera rapida una serie di files relativi ad un intervallo osservativo anche di diversi giorni.

La configurazione del sistema era la seguente (vedi anche fig. 3):

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: 2 x 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

  Risultati

Nella prima fase osservativa, coincisa con il settaggio dell’impianto ricevente, l’attenzione si è concentrata sull’osservazione del flusso meteorico giornaliero 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 (figure 7 e 8). Anche la distribuzione della durata degli echi (figura 9), legata alla massa dei meteoroidi, rispetta quanto noto dalla teoria [1], ovvero le meteore sono tanto meno numerose quanto maggiore è la loro massa

L’intento, in quest’anno scolastico, era anche quello di rilevare qualche sciame meteorico; per questo, a fine aprile 2007, periodo delle Liridi, abbiamo lasciato acceso gli apparati per diversi giorni, h24. I risultati sono riassunti nel diagramma di fig. 10. Anche le Liridi, come tutte le meteore di sciame, hanno variazioni di flusso dipendenti dall’attraversamento, da parte dell’orbita terrestre, di porzioni di spazio ad elevata densità di polveri (residui di orbite di comete) il che avviene con una periodicità nota. Oltre a ciò il flusso osservabile dipende dalle coordinate del punto Radiante dello sciame, sulla volta celeste dell’osservatore (Funzione di Osservabilità).

 Conclusioni

Dal punto di vista scientifico la validità del progetto è stata confermata dalla quantità e qualità degli echi di meteore ricevuti e dalla conferma delle previsioni teoriche in termini di flusso meteorico rilevato. Dal lato scolastico crediamo non sia facile trovare un’attività che, come questa, arrivi a coniugare originalità e validità e scientifica con costi contenuti.

 Attività future

Il progetto è iniziato a dicembre 2005, con la costruzione dell’antenna, e continua tuttora, dato che l’impianto, una volta acceso e settato provvede al conteggio e salvataggio automatico dei dati relativi agli echi.
E’ nostra intenzione continuare con le rilevazioni anche nel prossimo futuro, coinvolgendo gli allievi quando e quanto possibile. Non ci sono praticamente più spese da affrontare e il sistema, ancora migliorabile con pochi accorgimenti, già ora costituisce una stazione di osservazione di tutto rispetto, per l’accuratezza dei dati ricevuti e la sensibilità della rilevazione.
Vorremmo anche sviluppare un software di riduzione dati e successiva analisi, in grado di rappresentare in particolare (dopo correzioni sui dati “grezzi” e tenendo conto della funzione di osservabilità) la curva di attività di uno sciame meteorico. Particolare attenzione verrà posta in futuro all’osservazione di sciami minori e periodici, e alla rilevazione di occasionali aumenti di attività (outbursts) degli sciami stessi.

 Bibliografia, link

[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] Mallama A., Espenak F., Automated Meteor Detection and the Leonid Shower,
       Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 111:359-363, Mar. 1999