Co właściwie słychać w głośniku

Spadająca gwiazda zwykle kojarzy się z krótkim błyskiem i życzeniem, które trzeba zdążyć pomyśleć. Radio pozwala podejść do tego widowiska inaczej: zamiast wypatrywać smugi, można zarejestrować nagłe pojawienie się sygnału. W przestrzeni kosmicznej nie ma powietrza, więc dźwięk nie ma się w czym rozchodzić. To, co słychać w głośniku, odbiornik wytwarza z odebranych fal radiowych.

Przykładem jest nagranie Leonidów z listopada 2000 roku, które Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) udostępniła 12 listopada 2003 r. Wiatry w górnej atmosferze przesuwają ślad meteoru, a to zmienia częstotliwość odbitego sygnału. Tę zmianę, nazywaną efektem Dopplera, słychać w głośniku, dopóki ślad się nie rozproszy.

Jak ślad meteoru odbija fale radiowe

Meteoroid to drobina materii o rozmiarach od 30 mikrometrów do 1 metra, przemieszczająca się w Układzie Słonecznym. Meteor jest zjawiskiem towarzyszącym jej wejściu w atmosferę. Zdecydowana większość meteoroidów spala się całkowicie na wysokości 90–110 km.

Najmniejsze drobiny, lżejsze od tysięcznej części grama, świecą zbyt słabo, by dostrzegło je oko albo czuła kamera. Na wysokości około 80–120 km zderzają się jednak z cząsteczkami powietrza i wybijają z nich elektrony. Ta jonizacja zostawia wzdłuż toru meteoru ślad elektronów, od którego mogą odbić się fale radiowe. Można wyobrazić go sobie jako krótkotrwałe radiowe lustro.

Nadajnik emituje sygnał, którego odbiornik za horyzontem zwykle nie słyszy bezpośrednio, bo zasłania go krzywizna Ziemi. Odpowiednio położony ślad otwiera na moment drogę między nimi. Takie odbicie nazywa się echem meteorowym. Większość ech trwa ułamek sekundy; rzadsze utrzymują się od kilku do kilkudziesięciu sekund.

Krótkie echa dają najliczniejsze drobiny, o średnicy ułamka milimetra. Sygnał gwałtownie rośnie, a potem słabnie wykładniczo, w miarę jak elektrony rozpraszają się w powietrzu. Długie echa zostawiają większe i rzadsze meteoroidy.

Odbiornik nie wykryje jednak każdego meteoru. Ślad działa jak lustro, więc liczy się położenie nadajnika, odbiornika i toru meteoru. Punkt odbicia musi przy tym leżeć w tak zwanej strefie meteorów, mniej więcej 80–110 km nad ziemią.

Światło dzienne i chmury nie zamykają tego okna obserwacyjnego. Dzięki obserwacjom radiowym odkryto roje, które przypadają w dzień, na przykład czerwcowe zeta Perseidy. Przeszkodą mogą być za to silne zakłócenia, choćby podczas burzy z wyładowaniami w pobliżu stacji.

Belgijska sieć BRAMS

Praktycznym przykładem jest BRAMS, czyli Belgian RAdio Meteor Stations. Projekt łączy naukowców, krótkofalowców i miłośników astronomii. W Dourbes na południu Belgii od września 2010 roku działa nadajnik na 49,97 MHz. Ta radiolatarnia nadaje falę ciągłą (CW, czyli niemodulowaną nośną) o stałej mocy 130 W i polaryzacji kołowej. W czerwcu 2022 roku jej odbicia odbierały 42 stacje w Belgii i krajach sąsiednich.

Każda stacja ma trzyelementową antenę Yagi. Czym jest antena Yagi, wyjaśniamy w tekście Od gumowej antenki do Yagi. Pierwsze zestawy korzystały z odbiornika ICOM IC-R75, zewnętrznej karty dźwiękowej, zegara GPS i darmowego programu Spectrum Lab. Nowsze mają odbiornik SDR RSP2 i mały komputer Raspberry Pi z oprogramowaniem BRAMS. SDR (ang. software-defined radio) oznacza radio, w którym znaczną część obróbki sygnału wykonuje oprogramowanie. Generator sterowany sygnałem GPS (GPSDO) daje odbiornikowi stabilną częstotliwość odniesienia 24 MHz.

Spektrogram, czyli echo na obrazku

Odebrany sygnał można przedstawić jako spektrogram: czas biegnie wzdłuż jednej osi, częstotliwość wzdłuż drugiej, a kolor pokazuje poziom sygnału. Na przykładowym zapisie z objaśnieniami BRAMS pozioma linia to sygnał radiolatarni, który dociera do stacji bezpośrednio. Krótkie pionowe kreski to echa małych meteoroidów, a długie, złożone kształty – echa większych.

W tym samym zapisie mogą pojawić się odbicia od samolotów i zakłócenia. Samolot zostawia ślad w kształcie litery S, bo porusza się jednocześnie względem nadajnika i odbiornika. Zakłócenie rysuje pionową linię przez cały widoczny zakres częstotliwości, więc łatwo odróżnić je od echa meteoru.

Jak spróbować samemu

Najprostszy początek nie wymaga zakupów: najpierw nagranie ESA, potem spektrogramy w przeglądarce danych BRAMS. Od sierpnia 2016 roku działa też Radio Meteor Zoo, projekt nauki obywatelskiej prowadzony z serwisem Zooniverse. Ochotnicy obrysowują prostokątem na spektrogramach wszystko, co uznają za meteor, a każdy obraz ogląda 10 osób. Krótkie echa dobrze wykrywa program, ale podczas rojów pojawiają się złożone kształty i wtedy ludzkie oko wciąż sprawdza się najlepiej.

Meteory pojawiają się przez cały rok jako tak zwane sporadyczne, a w określonych porach roku także w rojach, takich jak Perseidy czy Geminidy. Rój meteorów obserwujemy, gdy Ziemia przechodzi przez strumień drobin pozostawionych przez kometę lub planetoidę.

Dla domowego obserwatora ważniejsza od konkretnej marki jest zasada: potrzebny jest odbiornik odpowiedniego zakresu, antena i nadajnik, którego sygnał może dotrzeć po odbiciu. Stacje BRAMS ustawiają odbiornik na 49,969 MHz, czyli 1 kHz poniżej częstotliwości radiolatarni, więc jej sygnał pojawia się na spektrogramie w okolicy 1000 Hz. Najciekawsze sygnały mieszczą się w paśmie 200 Hz wokół tej linii. Sama częstotliwość belgijskiej radiolatarni nie gwarantuje jednak powodzenia w dowolnym miejscu w Polsce.

Do samego odbioru nie trzeba pozwolenia. Nadawanie na pasmach amatorskich wymaga pozwolenia, które wydaje Prezes UKE po egzaminie.

Artykuł powstał na podstawie materiałów ESA i belgijskiej sieci BRAMS.