Observación de Meteoros con Técnicas de Radio.
Domingo Doreste González.
1. Introducción.
La nueva Astronomía mira hacia el Universo de las Ondas. La observación del Cosmos en un rango extenso del Espectro Electromagnético1, y no sólo en el Espectro visible, nos muestra una visión más realista del infinito mar de fenómenos cósmicos que nos circundan. En las últimas décadas, el ser humano ha sentido el deseo de observar más allá de lo que nuestros ojos y los telescopios ópticos más potentes pueden apreciar. Las observaciones centradas únicamente en el espectro visible, ya no contentan a los observatorios repartidos por todo el planeta.
Quedan atrás los sentimentalismos hacia la pura observación óptica directa, y se abre un inmenso mundo; el de las observaciones en otras longitudes de onda2, tales como: el infrarrojo, ultravioleta, rayos X, rayos Gamma, y las observaciones Radio.
Los principales problemas con los que se encuentra la Astronomía moderna, son las perturbaciones que presentan las altas capas de la atmósfera, las cuales actúan como un filtro bastante efectivo ante una gran cantidad de radiaciones externas. Y por otra parte, la perjudicial contaminación lumínica existente en la mayoría de las regiones del Planeta.
Para contrarrestar ambos inconvenientes, una parte muy importante de los estudios del Universo, se realizan en la actualidad desde satélites u observatorios astronómicos en órbita terrestre. Tenemos el caso del Telescopio Espacial "HUBBLE", uno de los proyectos más ambiciosos de la exploración espacial de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio Norteamericana (NASA). También podemos recordar al segundo Gran Observatorio de la NASA; el observatorio de Rayos Gamma "Compton", que prosigue con observaciones de fuentes explosivas Gamma, y otras fuentes de alta energía.
El satélite explorador del fondo cósmico "COBE" (NASA), realizó dos de las más interesantes observaciones de la historia de la astronomía moderna, confirmando el espectro de cuerpo negro de la radiación cósmica de fondo de microondas, al encontrar variaciones minúsculas de temperatura en dichas estructuras, lo cual apoya aún más las teorías de la Gran Explosión o "Big-Bang".
2. Radioastronomía: Conceptos básicos.
La Radioastronomía es la confluencia de dos campos; la Radiocomunicación y Astronomía. Podríamos decir, que es la aplicación de las técnicas radioeléctricas en favor de los estudios astronómicos.
Para la buena comprensión de este artículo, he considerado oportuno definir primeramente algunos conceptos fundamentales.
Es posible que alguna vez nos hayamos preguntado, ¿cómo es posible que los sonidos producidos por nuestras cuerdas vocales, puedan propagarse por un medio aparente de transmisión como el aire, y finalmente alcanzar los oídos de otra persona. La explicación de este fenómeno, la podemos encontrar en las leyes de propagación de ondas sonoras. En el caso de la propagación en la atmósfera terrestre, ésta se consigue por los choques sucesivos entre las moléculas del mismo aire, pero en el espacio exterior (considerándolo vacío) no se producen dichos choques, y la onda electromagnética se propaga sin ser perturbada.
En resumen, el sonido es una vibración, la cual se propaga a través del aire, mediante el sucesivo choque entre moléculas, y el ser humano, lo percibe como cambios de presión que se producen en el interior del tímpano. Posteriormente dicha información es transmitida en forma de sensaciones y estímulos al cerebro. Pero el tema que nos ocupa, no es la explicación de cómo recoge el sonido el ser humano, sino cómo lo hacen los Radiotelescopios.
En primer lugar, el concepto de "onda" es un fenómeno físico característico del comportamiento de ciertas magnitudes, las cuáles pueden ser; ondas de sonido, sísmicas, lumínicas, etc. En nuestro caso, nos referiremos a las ondas electromagnéticas.
En este artículo llamaremos "luz", a la parte del espectro electromagnético en la cuál se encuentra el conjunto de frecuencias o radiaciones pertenecientes al rango luz visible, y valga la redundancia, visible por el ojo humano.
Debemos tener presente, que las ondas electromagnéticas se distinguen entre sí, según su frecuencia, y no necesitan ningún medio material para propagarse. Su velocidad (c) en el vacío, equivale aproximadamente a 300.000 Km/sg. Dichas ondas tienen una serie de parámetros característicos; Amplitud, Frecuencia y Longitud de Onda.
Analizando cada una de ellas, podemos decir que la amplitud, a efectos del oído humano, representa la intensidad acústica con que percibimos el sonido. La frecuencia representa el número de veces por segundo con que oscila la onda electromagnética, o mejor dicho, es el tono con el que percibimos dichos sonidos. La unidad de medida de la frecuencia es el Hertzio3 (Hz) en honor al eminente físico; Frederic Hertz. Por último, la Longitud de Onda(l ) es un parámetro que relaciona la velocidad de las ondas electromagnéticas(c) con la frecuencia (f), de la siguiente forma:
l = c/f
donde: c = 300.000 km/sg.
Nota: "A medida que aumenta la frecuencia de una señal electromagnética, disminuye su longitud de onda".
Hasta aquí hemos estudiado la naturaleza de las señales y sus parámetros principales. Quizás sean unos datos un tanto técnicos, pero sin duda necesarios para comprender cómo identifican y reproducen los observatorios radio.
Aunque no sea el motivo central de nuestro artículo, un Radiotelescopio es un instrumento utilizado para recoger ondas radio que provienen de objetos situados a miles o millones de kilómetros en el espacio. Cuando nos introducimos en un campo como el astronómico, vemos la necesidad de utilizar otras unidades para medir las distancias que nos separan de los distintos objetos celestes. A título informativo, la unidad de medida más utilizada es el "Año luz"; que es la distancia recorrida por un haz de luz en un año, es decir, 9.46*1000000000000 Km.
Inmensas parábolas que observan en rangos del espectro electromagnético, que no se pueden observar con los instrumentos ópticos. Concretamente centran sus estudios en la región de Radioondas del espectro, abarcando desde longitudes de onda de una fracción de milímetro hasta varios metros.
Un sólo radiotelescopio no es suficiente para cubrir la extensa ventana de Radioondas, y por ello se diseñan de diversos tipos, ya sean para la observación a longitudes de ondas radio por encima de los 10mm, y los radiotelescopios Milimétricos que observan por debajo de 10mm.
A menudo se utilizan técnicas de Interferometría, que consiste en una Red de Radiotelescopios que funcionan como uno sólo. Con ello se consigue simular una gran parábola de cientos e incluso en ocasiones, de miles de kilómetros, con lo que se consiguen resoluciones angulares4 muy elevadas.
En el campo de la Radioastronomía "aficionada", se pueden realizar interesantes observaciones y por citar un ejemplo a menor escala describiremos a continuación las técnicas radio aplicadas a la observación de corrientes meteóricas.
3. Observación radio de meteoros.
En el campo de la Materia Interplanetaria y desde hace unos años, se viene experimentando con una técnica de observación meteórica muy poco conocida en España; las observaciones mediante técnicas Radio.
Dado el lento desarrollo de esta técnica de observación a nivel aficionado en nuestro país, pretendo mostrar una serie de referencias de estudio, con el objetivo de que sirvan de aliciente a futuros observadores de meteoros.
Hasta nuestros días, las observaciones meteóricas más conocidas son: las visuales, fotográficas, telescópicas y en muy contadas ocasiones, las espectroscópicas. Todos los métodos de observación anteriormente mencionados requieren unas condiciones meteorológicas óptimas de oscuridad del cielo y, en el caso ideal, en fechas de luna nueva y con una magnitud límite (MALE) lo más ideal posible.
En el caso de las observaciones Radio, estos factores no suponen un inconveniente radical. Las ondas electromagnéticas son el eje principal de tal técnica. Por ello, dichas observaciones pueden realizarse en horas diurnas, en presencia de cúmulos nubosos,
con cirros altos, luna nueva y en condiciones no muy extremas de precipitación de lluvias acuosas.
Las observaciones radio de meteoros juegan un papel fundamental en el campo de las observaciones diurnas. En estas condiciones no podremos confirmar radiantes meteóricos nuevos, al no poseer registros de las trayectorias aparentes seguidas por los meteoros en su recorrido por la bóveda celeste, pero si podremos dar una serie de datos estadísticos acerca de la actividad media de una corriente meteórica, en determinados intervalos de una observación diurna.
Siempre que los resultados obtenidos sean objeto de un análisis serio, podremos hacer comparaciones con los resultados obtenidos en una observación visual nocturna de una misma corriente meteórica. Por ejemplo, podríamos establecer comparaciones entre la persistencia de las partículas ionizadas en horas diurnas y nocturnas.
Es cierto que este tipo de observaciones nos facilita mucho el camino, pero no nos ofrece toda la información que necesitamos para un estudio serio de las lluvias de meteoros. Para obtener un buen análisis de los resultados obtenidos en el estudio de las reflexiones meteóricas con técnicas radio, es muy interesante complementar los mismos, siempre que sea posible (salvo en observaciones diurnas), con una observación visual. De esta manera, se podrían determinar una serie de parámetros, que no serían posibles con la única referencia de las observaciones radio. Por ejemplo, y como mencionamos anteriormente, nunca podríamos establecer la posición de radiantes meteóricos al no tener registrados en cartas el trazo ionizado del meteoro, con su orientación, altura sobre el horizonte del observador, etc.
Una vez realizada esta breve introducción, el propósito de esta primera entrega es, dar una visión general del fundamento y metodología de esta particular técnica observacional. En una próxima publicación comprobaremos la utilidad de dichos resultados en relación al análisis de las señales recibidas y, el estudio comparativo de las mismas con los resultados meteóricos visuales.
3.1 Fundamentos básicos.
Esta técnica observacional consiste fundamentalmente en la captación de señales procedentes de otras radiofuentes o estaciones (emisoras de radio, balizas, etc.), a partir de una reflexión provocada por una estela meteórica ionizada debida, a la precipitación de una partícula de polvo a una velocidad radial media de unos sesenta kilómetros por segundo (60 Km/sg) en las capas bajas de la Ionosfera (entre los 70 y 120 Km de altitud).
El sistema lo componen dos estaciones (una emisora (A) y otra receptora (B)), separadas geográficamente a una distancia mínima y máxima de unos 300 Km y 2000 Km respectivamente. Debemos comprobar que en condiciones normales y sin llegar a producirse el paso de un meteoro, dichas estaciones no podrían enlazar radioeléctricamente.
La estación B receptora (nosotros) estará compuesta por un sintonizador de señal de radio y una antena del tipo YAGI de 4 ó 5 elementos directores, orientada en azimut a una estación emisora (A) y con una elevación aproximada de cuarenta y cinco grados (45º) sobre el horizonte del observador.
En resumen, una estación B recibirá una señal emitida por una estación A, gracias al efecto satélite que nos ofrece la estela ionizada de una partícula meteórica.
Que conste, que en ningún momento estaremos recibiendo señales emitidas por el meteoro, como muchos interesados me han comentado en alguna ocasión. Por tanto, en toda reflexión meteórica estaremos recibiendo una señal correspondiente a una estación de radio comercial o alguna baliza (terrena o marítima), que hayamos previamente sintonizado y en general predeterminado, aunque a veces se sintonice a ver lo que pasa. Con respecto a las balizas, debemos tener en cuenta que no todas emiten de forma "permanente", muchas de ellas lo hacen de forma "intermitente" e incluso a intervalos de muy pocas horas al día. Todo ello puede incitarnos a un error en las observaciones.
3.2 Sintonizando.
El principal inconveniente con el que se puede encontrar un observador de meteoros por sistemas radio es, la búsqueda de la frecuencia idónea de sintonización. Por lo general, al alcance del aficionado, sólo se cuenta en un principio con receptores de banda comercial, que está prácticamente cubierta durante todo el día y la noche.
Por lo general, y en el caso de sintonizar con nuestro receptor a frecuencias correspondientes a bandas comerciales de frecuencia Modulada (FM), encontraremos múltiples dificultades para encontrar una banda en ausencia de emisora para realizar nuestras observaciones. Debemos barrer o localizar alguna banda vacía en las zonas extremas de nuestro rango útil de frecuencias. En el caso de utilizar balizas, podremos sintonizar a las frecuencias de balizas estacionarias (posición geográfica fija con respecto a nuestra posición), situadas en puntos estratégicos del planeta para aplicaciones varias como: salvamento, informes meteorológicos, etc.
En lo que se refiere a las frecuencias de sintonización, no hay una frecuencia fija e ideal. En algunos artículos se hace mención a un intervalo de reflexión óptimo de las señales que estén en el rango de los 40 a 70 Megahertzios (Mhz) (unidad de medida de la frecuencia). El grupo Americano ha venido sintonizando en 75 Mhz, y últimamente se han planteado cambiar a los 50 Mhz, debido entre otros factores, a que la potencia utilizada en la emisión de 75 Mhz, ha sido reducida en un buen porcentaje y se hace muy dificultosa la recepción del eco meteórico en equipos de recepción de aficionados.
Por otra parte, el grupo hawaiano ha encontrado dificultades para trabajar en la banda de 50 Mhz, debido a su localización geográfica, totalmente aislados en el océano pacífico. Este factor determina que se haga muy difícil sintonizar una reflexión a esta última frecuencia, al ser realmente baja la probabilidad de encontrar en dicho entorno oceánico, emisores de esas bandas de frecuencia. También, he podido constatar que los grupos de radioaficionados, realizan radio-enlaces utilizando la técnica del "meteor-scatter". Dicha técnica consiste en adquirir el mayor número de contactos posibles con otras estaciones sintonizadas a la misma frecuencia que el receptor, todo ello utilizando las reflexiones meteóricas. Podríamos decir, que cada contacto confirmado supone una reflexión meteórica.
Estos trabajos contribuyen a la aportación de datos a los estudios de los fenómenos de propagación de las ondas electromagnéticas. También ayuda a la preservación de una serie de bandas de frecuencias, que el servicio de aficionados tiene aún asignadas.
Las frecuencias utilizadas para estos contactos son:
CW: Banda de 144.095 a 144.105 Mhz
SSB: Banda de 144.200 y 144.400 Mhz. La máxima actividad debe concentrarse a + 10 KHz de estas frecuencias.
CW: Telegrafía. Onda continua para recibir señales codificadas (código morse).
SSB: Banda Lateral única.
3.3 .¿Cómo saber que hemos recibido una reflexión meteórica?
Una vez obtenida la señal de la reflexión meteórica bajo las condiciones expuestas anteriormente, no tendremos el 100% de posibilidades de que la misma se haya debido a la formación de una estela meteórica ionizada.
Unas veces podrá ser debido a perturbaciones naturales espontáneas como relámpagos o tormentas eléctricas en la atmósfera. Otra causa influyente para otros observadores radio es, el ruido industrial o el de los propios medios de transporte aéreo.
La situación se complica aún más, si pretendemos realizar las observaciones desde una ciudad con elevada contaminación de interferencias y múltiples fuentes de ruido, como ruidos de fluctuación ( en el interior de los sistemas físicos como las fluctuaciones del movimiento de los electrones en los componentes electrónicos).
Si acorde con todo esto, tampoco podemos confirmar la observación radio con una observación visual, será mucho peor.
En el caso de obtener una reflexión meteórica en estas condiciones, la señal que hayamos percibido y al mismo tiempo registrado en un grabador, estará fuertemente contaminada de señales indeseables en un factor proporcional a la relación Señal/Ruido de la reflexión.
So / No = Potencia de la señal / Potencia del ruido
En numerosas ocasiones, el ruido ambiental no nos permitirá escuchar las reflexiones meteóricas débiles y cortas en el tiempo, las cuáles si no se han utilizado grabadores adecuados, pueden pasar desapercibidas. Sobre todo si tenemos en cuenta, que según estudios realizados por otros observadores, el 90 % de las mismas, son de una duración menor o igual a los dos segundos ( £ 2 sg ).
A menudo se podría dar el caso de la siguiente conversación:" ¿me parece que he oído algo? ¿lo oíste tú?, me parece que sí".
Por todo ello, se hace necesario la utilización de instrumentos que nos permitan filtrar y discriminar las señales indeseables de las deseadas.
3.4. Consideraciones personales.
Al comienzo de una observación meteórica por técnicas radio, lo primero que hemos de tener en cuenta, son las condiciones de instalación del equipo que queremos utilizar, y asimismo desplazar al lugar elegido para la observación.
En el caso más óptimo, el emplazamiento observacional sería una casa situada en un lugar geográficamente alto sobre el nivel del mar y con el horizonte despejado, en la cuál pudiésemos albergar la totalidad de los instrumentos.
Generalmente, este no será nuestro caso, y tendremos que desplazarnos a emplazamientos menos dotados. Por ello, en el caso de ser elegida una zona sujeta a condiciones meteorológicas adversas, en cuanto a humedades relativamente altas, fuertes vientos, etc., recomendaría utilizar una tienda de campaña para la mejor instalación del material. A ser posible, el lugar elegido para la observación debe ser invariable para la obtención de los primeros análisis. Asimismo, la orientación de la antena en azimut y altitud, no deberá variarse tampoco, con el objeto de realizar una comparación de resultados tras sucesivas sesiones de observación, tanto diurnas como nocturnas.
Por otro lado, un factor muy importante es la alimentación autónoma de los equipos de observación tales como; receptores, amplificadores, fuentes de alimentación, lámparas, ordenadores, impresoras, etc. Por lo general, se suelen utilizar motores de gasolina con una autonomía media de varias horas, lo que nos garantizará una observación que cumpla suficientemente con los requisitos de tiempo mínimo de observación, para que los datos recolectados sean del todo aprovechables y reducibles.
La correcta instalación de la antena es fundamental, puesto que será el elemento que recoja las reflexiones meteóricas, siendo por tanto una parte crítica del sistema global.
La antena escogida en nuestros estudios será del tipo YAGI de cuatro o cinco elementos. A mayor número de elementos, más directiva será la antena y mayor será su ganancia. Se define "directividad", a la dirección horizontal, en la que se produce el máximo de radiación de una antena. El término ganancia, se define como la capacidad de recibir (en recepción, que es nuestro caso), una mayor energía de radiofrecuencia o de señal radio, en una dirección determinada.
Una aplicación muy interesante sería la utilización de varias antenas de diferente número de elementos, y por lo tanto, de varios receptores en la misma estación observacional, para comprobar las consiguientes diferencias en la recepción de reflexiones meteóricas. Con la antena anteriormente especificada, recogeremos las ondas espaciales reflejadas por los trazos meteóricos ionizados en la ionosfera.
3.5 Metodología y esquema de bloques.
Comenzaré comentando muy por encima la instrumentación y los requisitos básicos a tener en cuenta en estas observaciones. Para tal fin, se presenta el diagrama de bloques básico definido por la Organización Internacional de Meteoros (IMO).
Los sistemas integrantes son:
Una antena receptora tipo YAGI de 4 ó 5 elementos directores.
Un sintonizador.
Un circuito detector de Picos de señal (Limitador).
Un convertidor de señal analógica a digital (ADC).
Un Ordenador Personal con un software específico.
Los sintonizadores o receptores de señal, son el bloque central del proceso. En ellos se seleccionará la frecuencia de sintonización a la que deseamos enfocar nuestros estudios. Estos aparatos vienen complementados por amplificadores de señal conectados a un altavoz. Según la metodología utilizada para la recogida y tratamiento de los datos, se hará o no imprescindible, la utilización de una aparato grabador de las señales.
El sintonizador debe tener salidas a un bloque amplificador con el consiguiente altavoz y por otro lado, la salida de S-meter (señal de entrada al circuito sintonizador) excitará a un circuito detectar de picos de señal, que a su vez ofrece una salida al puerto paralelo de una computadora personal. Al mismo tiempo, los impulsos de señal llegados al detector de picos son convertidos de analógico a digital por un sistema conversor de señal (ADC), el cuál envía los datos en protocolo de 8 bits a otro puerto paralelo del ordenador. Mediante el software adecuado se podrá visualizar posteriormente el pico de señal recibido.
El detector de picos de señal y el circuito convertidor analógico digital son dos de los bloques, que primeramente habría de desarrollar caseramente. Ambos bloques son de fácil montaje en circuitos impresos o placas de prueba de laboratorio (Protoboard), con unos pocos conocimientos de electrónica.
Y para cumplimentar la totalidad del equipo, un ordenador personal con unidad de disco duro y dos salidas o puertos serie o paralelo. Acompañando al mismo, alguna impresora o trazadora para el registro de los resultados obtenidos. Los más privilegiados, podrán utilizar contadores de conteo digitales, u otros aparatos más sofisticados como osciloscopios analógicos o digitales de señal. También el analizador de espectros es un lujo para los que tengan oportunidad de utilizarlos (por lo general son aparatos de medida que tienen un coste muy elevado).
Como complemento se podrían utilizar contadores "displays" con visualización numérica decimal, o por conveniencia incorporar una pantalla contadora con software.
4. Glosario de términos
(1) Espectro Electromagnético; conjunto de todas las radiaciones posibles, ordenadas según su frecuencia.
(2) Longitud de Onda; parámetro que relaciona la velocidad de la Luz (c=300.000 Km/sg) y la Frecuencia de una señal.
(3) Hertzio; Es la unidad mínima de Frecuencia (1 ciclo por segundo). GigaHertzio; corresponde a un valor igual a 109 Hertzios.
(4) Resolución Angular de una antena parabólica; parámetro que está en función de la relación entre la longitud de onda de la señal en estudio, y el diámetro de la antena parabólica. Cuanto menor sea el cociente, mayor es el poder resolutivo.
4.1 Otras definiciones de interés:
Absorción Atmosférica; es el efecto de pérdida de intensidad que sufre una determinada radiación, cuando atraviesa un medio como las altas capas de la Atmósfera.
Ventana de Microondas; zona del espectro electromagnético comprendido aproximadamente entre 1 y 15 GHz , en la cuál se produce una absorción atmosférica muy baja y poca contaminación por ruido galáctico. Las Microondas son ondas de radio con longitudes de onda comprendidas aproximadamente entre 1mm y 1m.
Tiempo Universal (TU); unidad de tiempo estándar utilizada en Astronomía. Para conocer la hora local Canaria se sumará una hora en verano y ninguna en invierno. Para obtener la hora local peninsular habrá de sumar dos horas en verano y una en invierno.
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