La tecnica del Meteor Scatter consiste nella ricezione di un segnale radio trasmesso dalla Terra, riflesso su di un corpo meteorico.
Sebbene il progetto sia ancora allo stato embrionale, in basso è mostrata una delle prime immagini eco radio di una Perseide catturata lo scorso anno con attrezzatura ancora provvisoria.
Il grafico in basso al centro, detto waterfall, mostra un aumento significativo della potenza del segnale ricevuto per poco meno di 10 secondi a testimonianza di una probabile scia iperdensa.
Se sei interessato alla costruzione della Tua stazione ricevente, ho reso disponibile in una serie di articoli i passi che ho seguito per realizzare il sistema attualmente in uso presso l’osservatorio.
Background scientifico
Lo spazio attorno al nostro pianeta non è completamente vuoto, ma sempre attraversato da polveri e detriti di dimensioni variabili: si va dalle particelle microscopiche fino a veri e propri “sassi”. Queste particelle sono chiamate Meteoroidi. Alcune di esse sono in grado di entrare nell’atmosfera terrestre grazie ad effetti gravitazionali, una volta che la loro orbita interseca o si avvicina a quella della Terra.
Quando un meteoroide attraversa ad alta velocità strati dell’atmosfera sufficientemente densi dissipa la sua energia cinetica ed il materiale di cui è costituito in una breve “vampata” a causa dell’attrito con le molecole di gas dell’atmosfera stessa e dalla violenta compressione subita dai gas nella sezione frontale di impatto del meteoroide. La trasformazione dell’energia in calore ed in radiazione dà luogo, nello spettro del visibile, alla cosiddetta Meteora (“Stella Cadente”), un evento spettacolare che tutti abbiamo avuto modo di osservare ammirando il cielo nelle notti serene.
Tali meteore, se non associabili a nessuno sciame conosciuto, sono definite Meteore Sporadiche. Esse entrano in atmosfera con continuità lungo tutto l’arco dell’anno, creando una sorta di background di eventi meteorici, la cui frequenza risente tuttavia di variazioni giornaliere e stagionali. Se immaginiamo la Terra come una palla lanciata in un ambiente con polvere in sospensione, la maggior parte degli impatti tra palla e particelle di polvere avvengono, ovviamente, nella superficie della palla orientata nel verso di avanzamento della palla stessa piuttosto che sulla superficie opposta. A causa della rotazione della Terra attorno al proprio asse, un osservatore terrestre si ritroverà sulla superficie diretta nel verso di avanzamento solo una volta al giorno: proprio nelle ore del mattino (ora locale). Pertanto, in corrispondenza di ciò, si rileverà il massimo del flusso di meteore sporadiche. Va notato inoltre che anche la velocità relativa di impatto tra meteoroide e atmosfera risulta essere maggiore nella porzione “frontale” dell’atmosfera quindi anche meteoroidi più piccoli sono in grado di “bruciare” più facilmente divenendo osservabili.
Oltre ciò la Terra attraversa, nel suo moto orbitale, porzioni di spazio dove la densità di meteoroidi è molto maggiore della media: si tratta di fasce di particelle che incontrano l’orbita terrestre periodicamente. Il risultato è un significativo incremento di impatti di meteore in atmosfera. Questo fenomeno è noto come Sciame Meteorico. In questo caso è particolarmente utile definire il Radiante dello sciame come punto del cielo da cui tutte le meteore appaiono provenire. L’origine delle tracce in un punto comune è dovuto ad un effetto prospettico, in quanto in realtà tutte le meteore appartenenti allo sciame si muovono lungo percorsi paralleli.
Il flusso meteorico totale quindi è determinato dal contributo sia degli sciami di meteore che delle meteore sporadiche. Se un dato giorno dell’anno un determinato sciame è attivo, il relativo flusso meteorico va a sovrapporsi a quello delle meteore sporadiche.
All’ingresso del meteoroide in atmosfera, la sua energia cinetica si trasforma in calore, emissione luminosa e ionizzazione, a causa delle collisioni con le particelle di gas circostanti. Gli atomi del meteoroide lasciano quest’ultimo per vaporizzazione dalla superficie, nel corso di un processo detto di Ablazione.
Durante l’ ablazione, gli atomi del meteoroide e dei gas circostanti ionizzano, creando una scia di ioni ed elettroni liberi. Queste particelle cariche sono responsabili dei meccanismi di diffusione (Scattering) e riflessione di onde radio incidenti la scia ionizzata. La durata delle eco è tipicamente breve e dipendente dalla geometria e dalla frequenza: si va da frazioni di secondo fino a minuti nei casi migliori. Il segnale subisce una diffusione fintanto che la densità di elettroni liberi nella scia rimane sufficientemente elevata, in relazione alla frequenza operativa di interesse, per supportare i fenomeni di diffusione e riflessione. Pertanto, poiché l’eventualità di un fenomeno di riflessione dipende dalla densità di elettroni liberi nella scia, è utile analizzare i due casi estremi: Scie Ipodense e Scie Iperdense.
Le Scie Ipodense sono prodotte dai meteoroidi di dimensioni più piccole. La densità di elettroni liberi è così bassa che l’onda incidente può penetrare nel volume ionizzato senza attenuazione. Ciascun elettrone produce individualmente uno scattering sull’onda incidente; il segnale complessivo ricevibile grazie alla traccia ionizzata è la somma di tutti i contributi di scattering dovuti ai singoli elettroni, tenendo in debito conto la fase di ciascun segnale. La potenza ricevuta risultante è dipendente dalla posizione ed orientamento della traccia nonché dalla lunghezza d’onda (la potenza ricevuta cresce notevolmente al decrescere della frequenza, così come la durata dell’eco).
Il tipico profilo (Potenza ricevuta in funzione del tempo) di un eco da meteora ipodensa è caratterizzato da un rapido fronte di salita e da una discesa con decadimento esponenziale.
Le Scie Iperdense invece sono prodotte dai meteoroidi di dimensioni maggiori. Quando la densità di elettroni liberi è elevata, il nucleo della scia si comporta come un plasma. Le onde radio non sono quindi più in grado di traversare il nucleo della scia, e subiscono il fenomeno dello scattering. Pertanto, si verificherà un fenomeno di riflessione totale. La relativa potenza ricevuta è, ancora una volta, fortemente dipendente da posizione ed orientamento della scia, nonché dalla frequenza (a frequenze più basse corrispondono potenze ricevute maggiori).
Il profilo di un eco iperdenso breve è caratterizzato da un fronte di salita rapido
e da una successiva salita lenta a causa del processo di diffusione elettronica, con sovrapposto un ripple; segue una discesa quando la denstà elettronica tende ad essere troppo bassa. Una volta che il nucleo iperdenso della traccia è svanito, si verifica un decadimento esponenziale del profilo, tipico degli echi ipodensi.
In caso di echi iperdensi di lunga durata, si riscontrano spesso forti oscillazioni della potenza ricevuta. Ciò è causato dalle distorsioni subite dalla scia ionizzata a causa dei venti dell’alta atmosfera. Come conseguenza, sulla scia compaiono più aree riflettenti, che danno luogo a contributi interferenti tra loro.
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Come visto, la scia ionizzata di una meteora è in grado di diffondere un’onda radio incidente. Tuttavia, prendendo in considerazione la posizione relativa della scia rispetto al trasmettitore e ricevitore, va notato che non sempre una meteora è in grado di riflettere onde radio verso il ricevitore. Le scie meteoriche debbono soddisfare precisi requisiti di natura geometrica per poter essere utilizzabili in un link radio. E’ possibile dimostrare che una meteora può produrre uno scattering di un onda incidente verso il ricevitore solo se la sua traccia ionizzata è tangente ad un ellissoide, avente il trasmettitore ed il ricevitore come fuochi. Le meteore che non soddisfano questa condizione, non verranno “viste” dal sistema radio
