Una rete globale per le radiometeore

In campo amatoriale l’osservazione delle radiometeore è finora stata un’attività praticata da pochissimi osservatori e quasi mai ha prodotto dati di qualità utili allo studio degli sciami meteorici. Partendo dall’ esperienza di “RAMBo” gli autori hanno realizzato un apparato con tecnologia SDR (Software Defined Radio) che analizzando i radio echi meteorici misura e registra i principali parametri fisici delle radiometeore.

La grande economicità e la semplicità costruttiva e di gestione lo rendono idoneo alla realizzazione di una rete globale di osservatori in grado di produrre dati osservativi coerenti utili allo studio degli sciami meteorici.

Gli standard osservativi per le meteore

Quasi tutto quello che sappiamo sulle meteore lo dobbiamo a secoli di osservazione visuale. Se i primi “report” osservativi risalgono al 3° secolo A.C. è all’inizio del 20° secolo che si sono definite le tecniche di osservazione basate su uno standard che supera l’ostacolo della soggettività dei singoli osservatori e permette quindi di mettere insieme una grande quantità di dati provenienti da tutto il mondo e da momenti diversi.

L’avvento delle telecamere con ottica a largo campo che permette l’osservazione video ha portato alla definizione di altre tecniche e standard osservative, citiamo ad esempio Metrec, UFO e CAMS, standard tra loro compatibili.

L’osservazione delle meteore nel campo radioamatoriale è invece stata finora caratterizzata da metodi e tecniche sempre diverse a seconda delle capacità o delle inclinazioni dei singoli osservatori. Il progetto che qui illustriamo ha l’ambizione di iniziare a definire un’ipotesi di tecnica comune e di standard osservativo anche in questo campo.

Le radiometeore

Quando un corpo (meteoroide o detrito), dopo aver viaggiato per millenni nello spazio interplanetario, entra negli strati alti dell’atmosfera terrestre impatta con le prime molecole dell’atmosfera che incontra lungo il suo cammino. La velocità di queste particelle in movimento all’interno del sistema solare, con riferimento alla terra, è assai elevata: da un minimo di 12 ad un massimo di 72 chilometri al secondo.

Ne consegue che, per quanto piccola possa essere la massa del meteoroide (di solito qualche grammo) la sua energia cinetica, data da:

E_c =½ m v²

è decisamente alta.

Ad esclusione dei rari casi in cui il meteoroide è di grande massa, l’impatto dopo un rapidissimo aumento della temperatura solitamente ne comporta la sua disintegrazione. Gli effetti di questo processo sono la comparsa di emissione luminosa e la rottura dei legami elettrici negli atomi, processo che genera un cilindro di ioni ed elettroni liberi che si dispongono lungo la traiettoria percorsa dal corpo in ingresso nell’atmosfera.

Il primo fenomeno è a tutti comunemente noto con il termine meteora. Il cilindro di ioni ed elettroni liberi può essere più o meno denso (a seconda dell’energia cinetica dell’impatto) e più o meno persistente, visto che ioni ed elettroni liberi tendono immediatamente a ricombinarsi.

Quando gli elettroni liberi sono investiti da un campo elettromagnetico oscillante sono indotti ad oscillare con la medesima frequenza. Questo loro movimento comporta a sua volta la riemissione di un campo elettromagnetico e se questo movimento è in fase per un gran numero di elettroni si ha una trasmissione radioelettrica ricevibile a distanza. Ne consegue quindi che se un cilindro di elettroni liberi generato da un fenomeno meteorico viene investito da una trasmissione radioelettrica esso si comporta (almeno in un suo piccolo tratto) come un riflettore di tale trasmissione; riflessione che dura fino al momento del dissolvimento dovuto alla ricombinazione tra ioni ed elettroni.

La minima densità lineare ricevibile di una radiometeora è data dalla

dove d è la distanza, i parametri U, R P e G si riferiscono alle caratteristiche tecniche degli apparati trasmittenti e riceventi (potenza massima, guadagni in antenna, impedenza di ingresso). Importante notare come la lunghezza d’onda lambda sia al denominatore ed al cubo.

Ne consegue, considerazione che riprenderemo più avanti, che al diminuire della lunghezza d’onda la soglia minima di ricevibilità di una radiometeora si alza, rendendo più difficile la ricezione. Nel caso in cui un trasmettitore nelle VHF sia continuamente in potenza e con un’emissione puntata verso l’alto, un ricevitore sintonizzato sulla medesima frequenza in un punto del territorio non in portata ottica può ricevere il segnale trasmesso in quegli istanti in cui una meteora, generando il cilindro di elettroni liberi, crea le condizioni per la riflessione.

Quando la ricezione di tale segnale ha luogo si parla quindi di “radiometeore”. Come già detto la radiometeora è un fenomeno di riflessione di un segnale elettromagnetico, e quindi sottostà alle leggi fisiche che governano questo fenomeno ed in particolare alla condizione per la quale l’angolo di incidenza è uguale all’angolo di riflessione. Questa considerazione è di particolare interesse ed ha implicazioni sulle quali torneremo a conclusione di questo articolo.

La ricezione delle radiometeore

A differenza delle meteore che sono visibili solo di notte e la cui osservazione è pesantemente influenzata dalla illuminazione lunare, dall’ inquinamento luminoso e dalle condizioni meteo, le radiometeore sono rivelabili continuativamente.

Fin dal primo dopoguerra sono stati costruiti trasmettitori e ricevitori per il loro studio. Generalmente essi sono divisi in due tipologie: “forward scatter” e “back scatter” a seconda della posizione del ricevitore rispetto al puntamento del trasmettitore: nel primo caso il ricevitore è collocato molto lontano dal trasmettitore (centinaia di chilometri) e riceve riflessioni generatesi più o meno “a metà strada” tra i due. Nel secondo caso il ricevitore è vicino al trasmettitore e riceve riflessioni “all’indietro”. Tra i tanti esempi di radar meteorici possiamo citare quello di Vedrana di Budrio (Bologna) di proprietà del CNR in funzione negli anni ‘90 oppure, attualmente, il canadese CMOR situato in Ontario.

I radar meteorici sono apparati che prevedono trasmettitori che emettono segnali ad impulsi e un insieme di ricevitori dotati di antenne direttive funzionanti come interferometri in maniera da poter ricostruire velocità, posizione e direzione di provenienza della radiometeora. Questi dati permettono di conoscere i parametri orbitali del meteoroide e quindi di “assegnarlo” allo sciame di provenienza. I radar meteorici sono quindi apparati complessi ed assai costosi destinati all’ attività professionale e fanno capo ad enti di ricerca od Università.

Il mondo amatoriale (astrofilo e radioamatoriale) si è accostato a questo settore con svariate esperienze, a partire dalla trasmissione di comunicazioni oltre la curvatura terrestre basandosi appunto sugli istanti in cui una riflessione indotta da una radiometeora lo permetteva. Nessun dilettante può ovviamente permettersi l’acquisto e l’esercizio di un apparato trasmittente, di conseguenza l’ascolto amatoriale delle radiometeore può essere fatto solo utilizzando trasmettitori altrui, siano essi apparati trasmittenti televisivi, radar militari, beacons radioamatoriali ecc.… L’ascolto viene normalmente effettuato tramite un normale ricevitore radioamatoriale sintonizzato in SSB (Single Side Band) a circa 1000 Herz di distanza dalla portante del segnale trasmittente. Tale tecnica permette di ascoltare in uscita dal ricevitore un segnale audio con frequenza pari appunto alla differenza tra il segnale ricevuto e la sintonia della radio.

Nel caso dei 1000 Herz suddetti, il suono generato è appunto un fischio che emerge dal rumore di tanto in tanto, tutte le volte in cui viene ricevuta la riflessione di una radiometeora, fischio di intensità e durata proporzionali alle dimensioni del cilindro di elettroni liberi generatosi e dal tempo impiegato dal processo di ricombinazione ioni-elettroni. A volte vengono utilizzati software appositi che rappresentano graficamente il segnale audio realizzando la cosiddetta cascata “waterfall”, solitamente in falsi colori, metodo che visualizza su un monitor video ampiezza, frequenza e durata del segnale audio. Quasi sempre l’attività amatoriale termina qui, con il semplice ascolto.

Contare e misurare le radiometeore

All’interno dell’Associazione Astrofili Bolognesi ci siamo posti il quesito se fosse possibile andare oltre al semplice ascolto effettuando misure in grado di indagare anche a livello amatoriale l’andamento degli sciami meteorici. Ovviamente le caratteristiche delle disponibilità amatoriali impongono grandi limitazioni.

Innanzitutto l’assenza di un trasmettitore di segnali impulsati impedisce sia la misura della velocità che della posizione e della direzione; in altri termini, se anche si disponesse di più ricevitori variamente disposti sul territorio, e se anche si potessero connettere, non sarebbe comunque possibile la triangolazione.

Tramontata quindi l’idea di conoscere i parametri orbitali delle singole meteore ciò che rimane possibile è conoscere di ogni radiometeora rilevata l’istante dell’evento, l’ampiezza del segnale audio generato e la durata dell’evento. Con questi dati si può puntare all’analisi dell’andamento orario (Hourly Rate) ed a una valutazione dell’energia cinetica delle masse delle meteore registrate. Per questo genere di osservazione occorre quindi un ascolto continuativo, una digitalizzazione del segnale e una sua registrazione in vista di una analisi fisica e statistica. Vista la necessità di un funzionamento continuativo ai fini della digitalizzazione e della registrazione abbiamo scartato l’utilizzo di personal computer puntando su hardware dedicati.

L’esperienza di RAMBo

RAMBo (Radar Astrofilo Meteorico Bolognese) sfrutta il segnale emesso dal trasmettitore militare radar di Graves (Francia) che trasmette continuativamente nelle VHF a grandissima potenza (la frequenza è di 143,05 MHz).

La sua trasmissione è rivolta verso l’alto e quindi, sia per questa ragione che per la schermatura opposta dalle Alpi, non è ricevibile da Bologna direttamente.

Il nostro ricevitore ha un’antenna Yagi direttiva a 10 elementi (Figura 3) puntata in azimut nella direzione del trasmettitore, ed in declinazione a circa 25 gradi, dove abbiamo calcolato essere il punto di riflessione con gli strati alti dell’atmosfera.

Il radioricevitore che abbiamo utilizzato è uno Yaesu FT 857.

L’uscita audio del ricevitore viene amplificata con un circuito operazionale, divisa in due uscite ed una delle due viene squadrata per essere misurata in frequenza, mentre l’altra viene rivelata per una misura di ampiezza. Questi due segnali vengono inviati ad un microprocessore (Arduino) da noi programmato. Con Arduino viene misurata la frequenza, la durata e l’ampiezza, viene stabilito l’istante dell’evento e questi dati vengono scritti in un file di log costituito da una riga di dati per ogni evento meteorico.

Dopo alcuni mesi di sperimentazione siamo riusciti a migliorare sia l’hardware che il software fino alla completa eliminazione dei tantissimi “falsi positivi” che una ricezione in AM (modulazione di ampiezza) normalmente comporta.

L’esperienza di RAMBo è stata una esperienza estremamente positiva: con essa abbiamo registrato e misurato quasi un milione di meteore ogni anno dal 2014 ad oggi.

Abbiamo calcolato lo RZHR di molti sciami, abbiamo riconosciuto i filamenti di alcuni sciami meteorici, con i suoi dati abbiamo partecipato a due edizioni di IMC (il congresso dell’International Meteor Organization) e abbiamo scritto un paio di pubblicazioni.

Citiamo ad esempio l’osservazione riguardante lo sciame delle Perseidi del 2016: nei giorni precedenti l’incontro della terra con questo notissimo sciame meteorico un telegramma astronomico (CBAT) a firma di P. Jenniskens analizzando le interazioni dello sciame con i pianeti maggiori del sistema solare prevedeva la possibile comparsa di un filamento alcune ore in anticipo rispetto al picco di attività dello sciame intorno alla longitudine solare 139,5, cioè intorno alla mezzanotte del 11/8.

Effettivamente, come si evince dal grafico , il filamento è stato rilevato da RAMBo alle 23,20 dell’11/8. Da notare come la durata sia di circa tre campionamenti temporali; visto che ogni campionamento è di circa 5 minuti, la durata complessiva di questo filamento di sciame meteorico è stata di circa 15 minuti.

Da questo dato possiamo estrapolare grossomodo le dimensioni del filamento: visto che la terra viaggia nello spazio interplanetario a circa 107000 km/h, dalla

s=v/t

otteniamo che il diametro sarà maggiore di 27000 km, a seconda del fatto che la terra lo abbia intersecato perfettamente a metà o più o meno lateralmente.

I dati raccolti nel tempo sono pubblicati in forma dinamica su una pagina del sito della nostra Associazione (qui il link alla pagina) ed archiviati in forma settimanale su ramboms.com

I limiti dell’esperienza di RAMBo

Pur avendoci dato varie soddisfazioni RAMBo presenta qualche limite.

Innanzitutto questa esperienza è difficilmente riproducibile: la scheda audio è un nostro prototipo, il suo montaggio ed il suo utilizzo richiedono conoscenze di elettronica non presenti in tutti gli astrofili. Analogo ragionamento va fatto per la programmazione di Arduino.

Altro limite: non è economico infatti la radio da noi utilizzata è estremamente costosa ed altri apparati analoghi lo sono anche di più.

Terzo limite: la misura avviene su un segnale audio generato dalla radio; si può supporre che esso sia grossomodo proporzionale alla vera e propria potenza radioelettrica del segnale ricevuto, ma di ciò non possiamo affatto essere certi: se si vuole ragionare in termini di radar occorre misurare direttamente la potenza radioelettrica ricevuta dall’antenna.

Per queste ragioni abbiamo cercato di sviluppare un ricevitore che superasse questi tre limiti, e per far ciò ci siamo affacciati sul mondo dell’SDR.

Cos’è l’SDR (Software Defined Radio)

La radio come noi la conosciamo storicamente può essere definita come un insieme di componenti analogici che svolgono ognuno una determinata funzione. Per esempio, se pensiamo alla classica radio supereterodina troviamo al suo interno: un amplificatore di ingresso, un oscillatore locale, un mixer, un filtro di banda, un amplificatore a frequenza intermedia, un raddrizzatore a doppia semionda ed un rivelatore. Poi ottenuta la “bassa frequenza”, ancora un amplificatore.

Tutte queste funzioni, benché eseguite da dispositivi analogici, sono in realtà delle funzioni matematiche: per rimanere alle funzioni sopra elencate esse sono moltiplicazioni, divisioni, sottrazioni, generazione di funzioni trigonometriche, integrazioni ecc.…. Come è noto, per moltiplicare, sottrarre, dividere, generare sinusoidi o integrare e derivare, oggi è assai più semplice e performante utilizzare il computer che non una circuitazione analogica.

L’ SDR (Software Defined Radio) assolve infatti questa funzione: una volta digitalizzato il segnale di antenna esso viene elaborato da un computer utilizzando appositi algoritmi che permettono di farlo funzionare come una radio. I primi studi sull’ SDR risalgono al 1970 negli USA ed il primo ricetrasmettitore SDR fu realizzato in Germania nel 1988. Oggi gli apparati SDR sono in tutte le televisioni, le radio digitali (DAB) e gli smartphone. Negli anni 2000, l’avvento del circuito integrato RTL2832U ha reso possibile l’accesso al mondo della radio digitale anche a migliaia di amatori ed appassionati.

Questo integrato è comunemente impiantato in un piccolo circuito detto dongle “o pennetta” qui rappresentato. Sono visibili da un lato il connettore per il cavo coassiale proveniente dall’antenna e dall’altro il connettore usb per il collegamento ad un computer. Con questo economicissimo apparato qualunque appassionato può realizzare un ricevitore usando il proprio personal computer.

Ricevere le radiometeore con l’SDR

Come tutte le attività basate su software, non tutto lo sviluppo del settore è industriale e coperto da brevetti, ma esiste una nicchia open source (GNU Radio). Utilizzando tale ambiente, dopo oltre un anno di tentativi non eravamo riusciti a costruire un progetto che rispondesse a quelle caratteristiche che avevamo in mente e tale insuccesso ci ha portati alla rinuncia.

La svolta che ha poi portato alla ripresa dello studio ed alla realizzazione del progetto è stata la scoperta di una libreria del linguaggio di programmazione Python appositamente scritta per pilotare il circuito integrato RTL2832U. Abbiamo quindi scritto un’applicazione Python che svolge il lavoro di sintonizzare il dongle sulla frequenza del trasmettitore scelto dall’utilizzatore, impostare il guadagno, campionare il segnale ed effettuare la FFT (Fast Fourier Transform) ottenendo così per ogni singolo campionamento la frequenza e l’ampiezza del segnale in antenna.

Da sottolineare che in questo modo otteniamo la misura esatta non solo della frequenza, ma soprattutto della potenza radioelettrica del segnale: a differenza di tutte le esperienze precedenti, basate sull’ascolto dell’audio in uscita dalla radio, questa configurazione è quindi effettivamente paragonabile ad un vero e proprio radar.

Una volta ottenute queste due grandezze la nostra applicazione è in grado di riconoscere l’eco meteorica eliminando i falsi positivi sia dovuti a satelliti o ad aerei sia a transitori meteo come i fulmini, sia a transitori di natura antropica e registrarne ora e grandezze fisiche analogamente a quanto fatto con RAMBo. Il file di uscita permette inoltre di ricostruire e rappresentare la forma d’onda dell’eco registrato e conoscere la frequenza di ogni singolo campionamento.

Dopo i primi successi ottenuti lavorando con personal computer abbiamo provato a far girare questa applicazione su un piccolo ed economico microcomputer come Raspberry. Il risultato è stato quello di raddoppiare la velocità di esecuzione, migliorando ulteriormente la performance dell’applicazione. Abbiamo così realizzato un apparato estremamente economico, di facile assemblaggio e gestione: da qui il nome CARMELO (Cheap Amatorial Radio Meteor Echoes LOgger).

Carmelo è estremamente solido (dopo mesi e mesi di funzionamento ininterrotto di tre esemplari non c’è mai stata un’interruzione od una rottura).

Primi risultati

I primi mesi di funzionamento ci hanno mostrato le potenzialità di Carmelo. Le forme d’onda che seguono vedono il tempo nelle ascisse e il rapporto segnale rumore (SNR) nelle ordinate.

Qui sotto un tipico esempio di radiometeora “overdense”, cioè un evento in cui il cilindro di elettroni liberi è sufficientemente denso da comportarsi come un corpo solido. La sua riflessione mostra la rapidissima salita, l’andamento piatto della saturazione e la discesa dovuta al dissolvimento dato dalla ricombinazione ioni-elettroni liberi.

Altro tipo di meteora è la underdense, generata da un impatto con minor energia cinetica e quindi caratterizzata da un cilindro riflettente di scarsa densità.

Notare che la differenza tra questi due casi non si limita alla forma d’onda ed alla durata ma è evidente la differenza di ampiezza che in questi casi è di 20 dB e cioè di circa 100 volte. Nell’immagine che segue è invece mostrato il riassunto di tutte le radiometeore registrate in una settimana; nelle ascisse c’è sempre il tempo, nelle ordinate sempre l’SNR mentre le dimensioni di ogni singolo evento sono proporzionali alla durata. 

Nella settimana qui mostrata erano operativi tre ricevitori individuabili dai differenti simboli che li contraddistinguono.

Questa immagine è tratta dalla seguente pagina web La pagina mostra, con aggiornamento in tempo reale, le singole registrazioni inviate da ogni ricevitore in qualunque posizione sul territorio esso sia collocato. L’unica condizione è che sia connesso ad internet. Posizionandosi con il mouse si ogni evento si possono leggere i dati relativi ad ogni radiometeora registrata (data ed ora, localizzazione, ampiezza e durata dell’eco).

Nonostante l’esiguità del numero dei ricevitori finora realizzati e messi in esercizio è già possibile intuire le potenzialità di una ricezione realizzata con un numero ampio di ricevitori disposti sul territorio. Per mostrare questa potenzialità abbiamo realizzato il grafico seguente che mostra l’elaborazione dell’RZHR (Radio Hourly Ratio) centrata sull’ autunno-inverno 2020. Sono evidenti gli sciami delle Geminidi e delle Quadrantidi.

I tre ricevitori utilizzati finora sono sintonizzati sulla frequenza del trasmettitore militare Graves, posto nelle vicinanze di Digione (Francia).

Questo trasmettitore presenta un vantaggio ed almeno due svantaggi:

1. il vantaggio è che trasmette ad altissima potenza e ciò lo rende idoneo ad essere utilizzato anche da ricevitori posti a centinaia di km di distanza
2. il primo svantaggio è che la sua frequenza (143 MHz) è assai più alta delle frequenze ottimali per la ricezione delle radiometeore (almeno tre volte) e ciò diminuisce l’ efficienza del sistema, così come illustrato nella premessa
3. il secondo notevole svantaggio è il fatto che, in quanto radar, la sua emissione “spazzola” il cielo con un ritmo fisso generando quindi un’alternanza di momenti in cui c’è presenza di segnale ad altri di totale assenza.

Emblematica di questa situazione è la forma d’onda di un enorme evento meteorico (2 aprile 2021) la cui durata ha superato il mezzo minuto.

In essa sono chiaramente visibili i periodi di tempo in cui la radiometeora è illuminata e quelli in cui non lo è.

Come si può notare il periodo della spazzolata del radar trasmittente è all’incirca di 4,8 secondi.

Ciò significa che qualunque meteora cada nel periodo in cui Graves non illumina la zona del cielo in cui l’evento si realizza, con ogni probabilità viene persa; inoltre le forme d’onda che misuriamo, le ampiezze che calcoliamo ed anche le durate registrate sono pesantemente influenzate dal comportamento oscillatorio della trasmissione.

Al riguardo vi sono due considerazioni da fare.

1. La prima è che solo con una ricezione come quella di Carmelo, e cioè data dalla misura della potenza radioelettrica ricevuta e non dall’ ascolto dell’audio del radioricevitore è stato possibile rendersi conto di questa caratteristica di Graves, anni di esperienza con RAMBo non ci avevano dato questa percezione che invece è così evidente dalla sola visione di una sola forma d’onda di Carmelo.
2. La seconda considerazione è che un trasmettitore dedicato allo scopo dell’osservazione meteorica, operante anche a potenza minore, ma con frequenza idonea ed emissione continua potrebbe portare ad ottimi risultati per centinaia di osservatori. Il progresso dell’elettronica rende questa idea assai più alla portata di quanto non si pensi.

Una prossima prova potrà essere quella di una ricezione del segnale del trasmettitore meteorico belga BRAMS (Belgian RAdio Meteor Stations) che trasmette a 49,97 MHz da effettuarsi nell’Europa nord occidentale.

Una rete globale di ricezione con Carmelo

Vi sono almeno tre considerazioni che ci portano a suggerire la creazione di una rete di osservatori basati su una ricezione standard e diffusi sul territorio.

1. La sensibilità di un dongle per ricezione SDR è inferiore a quella di un ricevitore radioamatoriale. I dati in nostro possesso non ci mettono per ora in grado di quantificare questa differenza, ma possiamo supporre che sia considerevole. Inoltre, la frequenza di campionamento effettuato con il mini computer non è particolarmente alta (un campionamento ogni 33 ms.), tempo superiore alla durata delle piccole meteore underdense. E ‘ovvio quindi che non ci aspettiamo una quantità di radioechi ricevuti pari a quelli registrati per esempio con l’esperienza di RAMBo (circa un milione di radiometeore ogni anno). Se con RAMBo la parte del leone la facevano le radiometeore underdense (circa il 90%) con Carmelo esse si riducono drasticamente, mentre prevalgono le overdense. Ne consegue una minor presenza di meteore sporadiche ed un maggior rilievo di quelle di maggior massa e quindi presumibilmente facenti parte di sciami meteorici. Più ricevitori collocati a differenti distanze dal trasmettitore possono garantire una miglior copertura ed un alto numero di echi ricevuti.
2. Come già accennato nella premessa, a differenza delle meteore che possono essere viste da qualunque posizione sul territorio a patto che l’emissione luminosa sia sufficiente per essere rilevata, la stessa condizione non vale per le radiometeore.

Essendo una radiometeora un fenomeno dovuto alla riflessione di una emissione elettromagnetica per essa vale il principio per il quale il raggio riflesso deve avere lo stesso angolo A_R di quello incidente A_T . Ne consegue quindi che una radiometeora può essere ricevuta solo se il ricevitore è posizionato sul territorio in un luogo che rispetta tale condizione; in altra posizione la ricezione non potrà avvenire.

Di conseguenza, ricevitori in posizione differente, “vedranno” radiometeore differenti e quindi solo una rete di osservatori sparsa su ampie porzioni di spazio può ambire a ricevere una quota considerevole degli echi radioelettrici ricevibili su quel territorio.

A questa considerazione se ne aggiunge un’altra: la forma cilindrica dell’oggetto riflettente ci fa ipotizzare che il segnale riflesso con l’angolo uguale a quello incidente si disponga su un piano. La linea congiungente i punti Tx ed Rx sulla superficie terrestre è ortogonale alla direzione di provenienza della meteora e cioè alla direzione del radiante¹. Nel caso due ricevitori ricevessero simultaneamente lo stesso eco essi individuerebbero quindi questa linea. In questo caso quindi saremmo in possesso di un’informazione importante perché, conoscendo la posizione del trasmettitore potremmo essere in grado di desumere la traiettoria della meteora, dato fondamentale per l’attribuzione ad uno sciame meteorico.

Analogamente, ma per altra via, Jean Marc Wisler descrive l’ellissoide in cui trasmettitore e ricevitore sono i fuochi e la traiettoria della meteora è tangente nel punto p. Nel caso di ricezione in due punti diversi vi saranno quindi due ellissoidi intersecantesi con il punto p in comune. Sasa Nedeljkovic affronta la geometria di questo caso particolare con l’obiettivo di individuare la traiettoria generatrice della meteora. Tutto ciò ci fa presupporre che, con un’ampia rete di osservatori distribuita sul terreno, il tema dell’individuazione della traiettoria delle radiometeore che inizialmente avevamo escluso dalle potenzialità della ricezione amatoriale torni ad essere un tema di indagine intrigante.

3. Come detto in premessa l’osservazione delle radiometeore ha un innegabile vantaggio: esso è possibile continuativamente prescindendo dalle condizioni meteorologiche e dall’inquinamento luminoso.

L’unica limitazione, ovviamente come per tutte le osservazioni astronomiche svolte da terra, è data dall’ orizzonte: ogni osservatore può registrare meteore o radiometeore il cui radiante sia sopra l’orizzonte. Ne consegue che alcuni sciami siano osservabili da un emisfero e non dall’altro o viceversa, ma anche che lo stesso sciame abbia condizioni di osservabilità che cambiano, per un dato osservatore, di anno in anno a seconda dell’orario in cui presentano il proprio picco di osservabilità. Una rete globale di ricevitori presenti in tutto il mondo che osserva con il medesimo standard e continuativamente è in grado di superare queste limitazioni approssimando in maniera ideale la realtà di un osservatore globale terrestre immerso a 360 gradi nello spazio interplanetario in cui viaggia.

Per le tre condizioni su elencate una rete globale di osservatori per le radiometeore basata su uno standard comune è quindi oggi ampiamente auspicabile. Ma con l’utilizzo di Carmelo è anche facilmente realizzabile; i dati prodotti oggi raccolti, elaborati e visualizzati al seguente link sono pubblici ed a disposizione della comunità degli osservatori.

La sua eventuale realizzazione si basa sulla disponibilità di singoli astrofili, radioamatori, istituzioni didattiche, enti di ricerca o semplici cittadini curiosi ad ospitare un ricevitore semplice, economico, robusto ed affidabile.

Cosa occorre per realizzare un osservatorio per le radiometeore nella rete globale

1) Innanzitutto occorre individuare un trasmettitore noto che sia in funzione continuativamente sulle VHF (Very Hight Frequency) banda radio in cui da sempre si osservano gli echi meteorici. Tale trasmettitore deve emettere su una frequenza nota e deve distare decine o centinaia di km dal punto di ricezione e possibilmente non deve essere in vista.

2) Occorre quindi disporre di un punto osservativo quanto più possibile libero da ostacoli.

Gli ostacoli sono essenzialmente fabbricati o erte montagne nelle immediate vicinanze che occultino in maniera severa l’orizzonte osservativo. Quindi la posizione migliore può essere il tetto di un fabbricato, ma può anche essere un grande giardino se non vi sono fabbricati a ridosso. Viceversa la ricezione effettuata ai piani bassi di un alto fabbricato porterà evidentemente a rinunciare ad una copertura globale (a 360°).

3) La scelta dell’antenna ed il suo corretto montaggio non vanno in nessun modo sottovalutati: è qui che si decide l’efficacia dell’osservazione delle radiometeore.

Esistono due tipologie di antenne: quelle direttive e quelle omnidirezionali; della prima categoria citiamo le antenne di tipo Yagi , delle seconde le collineari .

Per coloro che sono completamente a digiuno di antenne possiamo dire che se ascoltiamo con una antenna omnidirezionale è come se guardassimo il cielo stellato ad occhio nudo, vedremmo tante stelle in un campo di cielo molto ampio, mentre se ascoltiamo con un’antenna direttiva è un po’ come se guardassimo il cielo con un binocolo o con un telescopio: vedremmo una porzione di cielo molto più piccola ma vedremmo anche stelle più deboli di quelle visibili ad occhio nudo.

Fuor di metafora: un’antenna omnidirezionale ha un guadagno basso e fisso mentre un’antenna direttiva ha un guadagno maggiore ma solo verso una determinata direzione; sono le caratteristiche costruttive delle antenne direttive a determinare quanto più alto è il guadagno e di conseguenza quanto più piccola è la zona del cielo indagata.

Sebbene gran parte delle osservazioni delle radiometeore siano comunemente realizzate con antenne direttive generalmente puntate in direzione del trasmettitore e con una certa inclinazione in verticale vorremmo qui suggerire l’utilizzo di antenne omnidirezionali polarizzate verticalmente per le seguenti ragioni.

Innanzitutto sono più semplici da montare: meno ingombranti e meno critiche in zone ventose.

Inoltre un ascolto omnidirezionale, nel caso di una rete diffusa sul territorio, permette un confronto migliore tra i singoli osservatori perché indipendente dal guadagno in antenna e dà risultati più comparabili per un’eventuale triangolazione.

Una terza ragione risiede nell’economicità dell’antenna. Le antenne omnidirezionali reperibili in commercio possono essere di svariati tipi: vanno dalle antenne tipo “discone”, il cui prezzo si aggira sugli 80 euro, fino alle antenne da balcone che costano meno di 30.

Non va affatto sottovalutata l’auto costruzione. L’auto costruzione di un’antenna di tipo “Ground plane” comporta due vantaggi: innanzitutto è estremamente economica, visto che è realizzabile con pochi euro.

Poi, sembra assurdo ma non lo è: la sua efficienza è migliore di quelle commerciali. La spiegazione di questo apparente paradosso sta in una semplice considerazione: le antenne commerciali quasi mai sono progettate per funzionare su una singola frequenza ma servono per permettere ai radioamatori di ricevere (e trasmettere) su più canali.

Un’ antenna equivale ad un circuito LC le cui caratteristiche elettriche determinano la frequenza su cui essa risuona.

Un circuito LC “puro” ha la curva gaussiana del fattore Q (assimilabile al guadagno) stretta ed alta sulla frequenza centrale.

Un circuito LC “caricato” distribuisce il guadagno su una base maggiore: la gaussiana è assai più larga, permettendo quindi di sintonizzarsi efficacemente anche sulle frequenze adiacenti, ma anche più bassa e quindi perde guadagno sulla frequenza centrale.

Un’ ultima considerazione: le antenne commerciali sono progettate anche per trasmettere ed è questa la caratteristica che maggiormente incide sul loro prezzo a causa dell’accuratezza costruttiva necessaria; per la semplice ricezione invece non occorrono antenne sofisticate. A conferma delle ragioni suddette una ground plane auto costruita come la “Carmelina_143” si è dimostrata più performante di tutte le altre omnidirezionali commerciali da noi sperimentate.

4) Una volta montata l’antenna occorre il cavo coassiale che la colleghi al ricevitore: deve essere un normale cavo coassiale tipo rg 58 o similare, adatto alle VHF. Il consiglio è quello di usare un cavo il più corto possibile, sia per risparmiare economicamente sia per ridurre al minimo le perdite e mantenere quanto più alto possibile il rapporto segnale rumore (snr). I connettori ai suoi capi dovranno essere: da un lato un “sma” maschio per la connessione al dongle e dall’altro lato il connettore adatto all’antenna prescelta; nella maggior parte dei casi si tratta di un “pls” maschio. In commercio ed in internet sono acquistabili, adattatore compreso, per pochi euro.

5) Il dongle deve essere basato sull’integrato RTL2832U. Ne abbiamo provati alcuni, quello che consigliamo è il NooElec NESDR Smart v4 SDR, costa 32 euro, è stabile, affidabile ed è quello con il più basso rumore tra quelli da noi provati.

Come detto, il minicomputer adottato è il celeberrimo Raspberry Pi 4 B, da 2GB. Va benissimo: su di esso va montata una scheda SD: non importa che sia ad alta capienza: il software (sistema operativo, programma e librerie) occupa circa 2 Gigabyte.

6) Il mini computer va alimentato con un alimentatore 5V con presa USBc (cioè quello degli smartphone di seconda generazione). Carmelo assorbe circa 75 milliampere che a 5 v significano una potenza di meno di 400 mW. Dell’ordine di quella di una piccola torcia a led.

7) Poi occorre un cavo di rete LAN che connetta il microcomputer con un modem che permetta l’accesso ad Internet. Questo cavo può essere anche particolarmente lungo, anzi il consiglio che diamo è quello di collocare Carmelo quanto più possibile vicino all’antenna e di raggiungere il modem con il cavo di rete della lunghezza necessaria.

Non abbiamo abilitato sul Raspberry la funzione wireless: in fin dei conti Carmelo è pur sempre un radioricevitore e meno trasmissioni ci sono nelle immediate vicinanze meglio è.

Il totale di questi acquisti è inferiore ai 200 euro.

Il software

Come visto l’hardware è semplice, economico e comune: ciò che trasforma questo hardware in un vero e proprio radar meteorico in miniatura è il software.

Per funzionare Carmelo richiede:

1) l’istallazione del sistema operativo: la versione più semplice e leggera di Raspbian va bene.

2) Le librerie di Python ed il nostro programma, ovviamente gratuiti.

3) Un piccolissimo file di tipo csv nel quale vengono scritti i dati dell’osservatore: Località, coordinate geografiche, frequenza su cui il ricevitore lavora, il tipo di antenna utilizzata, il simbolo ed il colore con il quale le osservazioni spedite compariranno nella rappresentazione complessiva dei dati ricevuti dal sistema e visibili sull’ apposita pagina del sito web.

Tutto ciò sarà reperibile scrivendo una mail a rambometeorgroup@gmail.com

Bibliografia

1) Belkovich O.I. (1971). Statistical theory of meteor radar observation. Kazan University, Russia.

2) Jean Marc Wislez: Proceedings of the Radio Meteor School, IMO (International Meteor Organization) 2006, pag. 85 e segg.

3) Sasa Nedeljkovic: Proceedings of the Radio Meteor School, IMO (International Meteor Organization) 2006, pag 108 e segg.