Meteor-scatter - Approfondimento (quarta parte)
Teoria degli echi radio
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 della 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/riflessione di onde radio, incidenti la scia ionizzata.
Il campo elettrico dell’onda incidente, fa vibrare le particelle cariche, ed è noto che particelle cariche oscillanti, emettono onde elettromagnetiche. L’energia associata all’onda radio incidente viene quindi ri-emessa in tutte le direzioni.
Teoricamente, sia gli ioni che gli elettroni nella scia, contribuiscono all’onda diffusa. Tuttavia, gli ioni sono troppo pesanti per dare un contributo significativo, specialmente alle alte frequenze, per cui solo gli elettroni liberi vengono presi in considerazione in questo contesto.
Questo meccanismo permette (utilizzando tecniche adeguate) contatti radio a lunga distanza, anche in casi in cui il collegamento radio non è normalmente possibile, a causa della curvatura della superficie terrestre e/o della mancanza di altre forme propagative.
Lo stesso meccanismo, permette agli osservatori nello spettro radio, di rilevare l'ingresso di un meteoroide in atmosfera. Sintonizzando infatti un ricevitore su una frequenza ove è noto esserci un trasmettitore distante e normalmente non ricevibile, l’arrivo di un meteoroide è contrassegnato da un breve intervallo di tempo, in cui siamo in grado di ricevere il segnale del trasmettitore. Va notato che buona parte della ricerca scientifica sulle meteore si basa sull’uso di radar e sull’analisi di echi di back-scatter provenienti da tracce di meteore.
La durata dell’eco è tipicamente breve, nonché dipendente dalla geometria e dalla frequenza: si va da frazioni di secondo, fino a minuti nei casi migliori. Il segnale subisce una diffusione (Scattering), fintantoché la densità di elettroni liberi nella scia, rimane sufficientemente elevata, in relazione alla frequenza operativa di interesse, per supportare i fenomeni di diffusione/riflessione.
Va notato che la densità di elettroni liberi, decresce rispetto al tempo, prevalentemente a causa del meccanismo di diffusione e ricombinazione di elettroni e ioni.
L’eventualità di un fenomeno di riflessione, dipende dalla densità di elettroni liberi nella scia; in quest'ottica, analizzeremo due casi estremi (tracce Iperdense e Ipodense), tenendo presente che una traccia meteorica, può essere vista sempre come un caso intermedio tra i due citati.
Scie Ipodense: sono prodotte dai meteoroidi di dimensioni più piccole. In quest'approssimazione, 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.
Avviene, in questo caso, un meccanismo di Diffusione (Scattering) puro. L’eco risultante viene in gergo denominato "Ping".
Il principale contributo allo Scattering, ha luogo nel volume ove la densità elettronica è maggiore (la “testa” della meteora e il nucleo della scia ionizzata). La potenza ricevuta risultante, tra i vari fattori, 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).
In qualunque istante, gli elettroni liberi sono caratterizzati da una densità avente una distribuzione circolare gaussiana, centrata attorno al percorso del meteoroide.
Immediatamente dopo la formazione della scia, ioni ed elettroni iniziano a diffondersi nell’atmosfera circostante, diminuendo così la densità volumetrica di carica.
Al crescere del raggio della scia (a causa della citata diffusione), si viene a perdere la coerenza di fase tra i vari contributi di scattering: per questo motivo, la potenza totale ricevuta decresce
rispetto al tempo, con legge esponenziale.
Meteoroidi relativamente piccoli e veloci, tendono a subire l’ablazione a quote più alte, ove la densità atmosferica è sufficientemente bassa da permettere al raggio della scia di crescere con rapidità; per questo motivo essi danno luogo ad echi più deboli e brevi.
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Profilo nel tempo di un eco ipodenso (Ping)
Come si può vedere nell'immagine sopra, 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 (vds).
Il tempo di salita porta informazioni sulla velocità del meteoroide, mentre la discesa con legge esponenziale è il risultato della diffusione della scia ionizzata in atmosfera: la costante di tempo e il "decay time" sono legati alla densità di particelle di gas in atmosfera, di conseguenza all’altitudine del volume ionizzato. Maggiore è la quota del punto di ablazione, più rapido è il decadimento esponenziale e più breve l’eco.
Scie Iperdense: 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. La scia meteorica è però ora approssimabile a un cilindro metallico: le onde radio possono raggiungere la superficie del cilindro senza attenuazione, e sono riflesse dal cilindro stesso. Immaginando la scia come un assieme di cilindri concentrici, caratterizzati ognuno da una densità elettronica crescente, spostandosi verso il nucleo della traccia, si verificherà un fenomeno di riflessione totale sul cilindro, avente densità di ionizzazione superiore ad una precisa Densità Critica, (funzione della frequenza).
Si viene in tal caso a verificare una Riflessione Speculare. L’eco risultante è noto come "Burst"; 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 tipico dell'eco iperdenso, può essere spiegato sulla base del fenomeno di Interferenza.
Pochi Km. di scia, effettivamente contribuiscono al segnale riflesso (è quindi più appropriato parlare di sezione riflettente più che di punto di riflessione). Le onde sono riflesse da diverse aree nella scia, ma un interferenza costruttiva avviene solo nella direzione prevista dall’ottica geometrica. Il segnale riflesso principale (ovvero quello col minimo percorso ottico) andrà ad interferire con i segnali riflessi da aree più distanti (aventi quindi ampiezze e fasi differenti).
In questo modo, si vengono a definire zone ad interferenza costruttiva o distruttiva col segnale riflesso principale, dette "Zone di Fresnel".
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Fenomeno di interferenza sulle scie Iperdense
Durante il tragitto del meteoroide, si vengono a formare zone della scia alternativamente costruttive e distruttive, dando così luogo al caratteristico “Ripple” sul profilo dell’eco.
Se la geometria della riflessione è completamente nota, la periodicità del Ripple può essere utilizzata per determinare la velocità del meteoroide.
Un’altra tecnica per misurare la velocità della meteora (anche in questo caso, una volta nota in tutto e per tutto la geometria della riflessione), si basa sull'analisi dello shift di frequenza per effetto Doppler, spesso riscontrato sul cosiddetto "Eco di Testa" della riflessione.
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Eco meteorico nel dominio della frequenza, con evidenziato l’"Eco di testa"
A causa della successiva diffusione degli elettroni della scia, il raggio del nucleo iperdenso aumenta col tempo (il che tende ad aumentare la potenza riflessa). Al tempo stesso però, la densità centrale della scia diminuisce, il che porta per contro a restringere il raggio della parte iperdensa. Alla fine, la parte iperdensa viene a scomparire, e rimane solo una voluminosa scia ipodensa.
Come risultato, 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 densità 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.
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Profilo nel tempo di un eco iperdenso breve (Burst)
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. Essendo le aree riflettenti non stazionarie per l’azione dei venti,
le condizioni di interferenza cambiano continuamente, originando così un profondo e in genere rapido Fading (evanescenza) sul segnale ricevuto.
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Profilo temporale di un eco iperdenso di lunga durata
Questo fenomeno, si verifica solamente sui Burst di maggiore durata; gli echi iperdensi brevi, sono invece caratterizzati da una durata che, in prima approssimazione, è proporzionale al quadrato della lunghezza d’onda del segnale incidente.
Ciò significa, ad esempio, che una meteora iperdensa in grado di dare un eco di 1 secondo di durata sui 144 MHz, darà luogo ad una durata di circa 10 s. sui 50 MHz, e di circa 0.1 s. sui 432 MHz.
In ogni caso, anche la geometria dello scattering va tenuta in considerazione, per determinare la potenza ricevuta e la durata dell’eco.
Fonte: "INTRODUZIONE AL METEOR SCATTER" di Massimo Devetti IV3NDC (file pdf)