Meteoren waarnemen met radio

Meteoren waarnemen met radio

Meteoren kun je niet alleen in zichtbaar licht waarnemen, maar ook met radio. Stem je een radio-opstelling af op een speciaal radiobaken, dan kun je zowel overdag als ’s nachts én tijdens bewolkt weer meteoren detecteren. En met een eenvoudige radio-ontvanger ligt deze deze vorm van radioastronomie voor iedereen binnen handbereik.

Radiogolven zijn net als zichtbaar licht onderdeel van het elektromagnetische spectrum. Maar waar het zichtbare licht van een meteoor niet door een wolkendek komt, of overstraalt wordt in het daglicht, daar heeft de radio geen moeite om meteoren te detecteren. Hierdoor heb je met radio het voordeel dat je naast de gebruikelijke meteorenzwermen ook de zogenaamde daglichtzwermen kunt waarnemen. Dit zijn meteorenzwermen waarvan de radianten alleen overdag boven de horizon komen. Hoe je met deze waarneemtechniek aan de slag kan, leggen we je hieronder uit.

Radar

Waarschijnlijk ben je wel bekend met RADAR, of voluit RAdio Detection And Ranging. Dit systeem werkt door middel van een serie pulsen van radiogolven die bijvoorbeeld tegen een vliegtuig botsen en terugkaatsen. De ontvanger luistert, in de tussenliggende perioden dat de zender niet uitzendt, naar de teruggekaatste echo’s. Dit veelgebruikte principe heet ‘back scatter’-radar en wordt gebruikt op o.a. luchthavens en aan boord van vliegtuigen en schepen.

Een ander type radar, de zogenaamde ‘forward scatter’ radar, werkt met een opstelling waarbij de radiobron continue uitzendt en de ontvanger op een verder afgelegen locatie is opgesteld. Het grote voordeel van deze techniek is dat de hemel voortdurend wordt ‘belicht’ en reflecties ook over grotere afstanden mogelijk worden. Er hoeft immers geen rekening te worden gehouden met de pulsduur, de intervalfrequentie en de looptijd van de echo. Alle objecten die door de radiobundel vliegen worden aangestraald, zodat je geen last hebt van de valse-, dubbele echo’s en andere artefacten die bij een ‘back scatter-radar’ wel optreden.

Meteoren en de reflectie van radiosignalen

Het principe van meteoren waarnemen met behulp van ‘forward scatter’ radar wordt in de onderstaande illustratie verhelderd. Normaliter is het radiobaken door de kromming van de aarde onder de horizon en daardoor niet direct te ontvangen. Op het moment dat een meteoroïde met zeer grote snelheid de atmosfeer binnendringt, botst deze met de daar aanwezige stikstof- en zuurstofmoleculen. Door de schokgolf en wrijving raken de atomen van luchtmoleculen geïoniseerd, dat wil zeggen elektronen worden losgeslagen uit hun baan om de kern van het atoom. Ze vormen een soort wolk met vrije elektronen (-) en kationen (+), die als wolk rond de meteoroïde hangt(veroorzaakt de ‘head echo’) en tevens een geïoniseerd spoor achter de meteoroïde achterlaat. Als de ionendichtheid groot genoeg is, ontstaat er zo een plasmawolk die een goede reflector vormt voor radiogolven; de zogenaamde ‘overdense’ reflecties ontstaan op die manier. Op deze manier kan het radiosignaal de waarnemer bereiken.

Illustratie: Werkgroep Meteoren KNVWS.  Geometrie van radioreflecties aan meteoren. Het geïoniseerde lichtspoor weerkaatst de radiogolven net zoals zichtbaar licht op een spiegel weerkaatst. Op deze manier wordt er door tussenkomst van de meteoor een verbinding gelegd tussen de radiobron en de ontvanger.

Wanneer de ionendichtheid te laag is, ontstaat er slechts een gedeeltelijke weerkaatsing van het radiosignaal met veel kortere en zwakkere ‘underdense’ reflecties als gevolg. Deze beide reflectiesoorten zijn met via de radio-ontvanger hoorbaar als ‘pings’ en ‘bursts’, wat respectievelijk de uitingsvormen zijn van de genoemde reflecties op ‘underdense’ en ‘overdense’ meteoorsporen. De tijdsduur van deze reflecties varieert tussen een fractie van een seconde tot soms meerdere seconden. Bovendien ontstaat door de hoge snelheid van de geïoniseerde ‘schokgolf’ rond de meteoroïde(de ‘head echo’ van het deeltje) ook een dopplerverschuiving in de ontvangen zendfrequentie, die merkbaar is doordat de ‘toonhoogte’ van het radiosignaal snel veranderd. De achtergebleven ‘overdense’ ionisatie wolk beweegt daarentegen veel minder en de toonhoogte blijft binnen een paar Hz rondom de frequentie van het baken hangen.

Speciale meteoorbakens

Een aantal jaren geleden was het heel goed mogelijk om ‘meteor scatter’ (letterlijk: ‘meteoorverstrooiing’)  waar te nemen met behulp van de beelddraaggolf van analoge TV-zenders die in de VHF-band (30 tot 300 MHz) werd uitzonden. Deze zenders stonden verspreid over Europa en hadden doorgaans een grote signaalsterkte. Helaas verdwijnen deze analoge zenders door de opkomst van digitale DVBT-zenders die uitzenden op de UHF-band (300 tot 3000 MHz), een frequentieband die doorgaans ongeschikt is voor meteor scatter en smalbandige dopplermetingen aan meteoorreflecties. Toch blijft de lage VHF-band nog altijd het meest geschikt voor het waarnemen van ‘meteor scatter’.

Het Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte Aeronomie (BIRA) heeft in België een speciaal meteoorbaken opgezet in het kader van hun ‘BRAMS’ project. Dit baken zendt uit op 49,970 MHz en staat in het zuiden van de Ardennen bij het Centre de Physique du Globe te Dourbes (zie de foto hieronder). Een tweede baken dat is opgezet door de Belgische Vereniging Voor Sterrenkunde (VVS) staat in West Vlaanderen bij de volkssterrenwacht Astrolab IRIS in Ieper dat uitzendt op de frequentie 49,990 MHz. Deze bakens zenden met een bescheiden vermogen van respectievelijk 150 Watt en 50 Watt. Hun zendfrequentie is net onder een gangbare amateurband en ze kunnen daarom met reguliere 6m-antennes worden ontvangen in combinatie met een goedkope RTL-SDR dongle (een USB-ontvanger). De reflecties zijn in heel Nederland en België te horen mits de storingen in de omgeving van de waarnemer niet te hoog zijn als gevolg van allerlei apparaten, de zogenaamde ‘man made noise’.

Foto: CAMRAS (Frans de Jong). BRAMS meteoorbaken. Radiozendamateur Simon Bijlsma (PA7SB) bij het speciale meteoorbaken in het zuiden van de Ardennen bij het Centre de Physique du Globe in Dourbes.

De Franse luchtmacht heeft in 2005 een ‘foreward scatter’ radar gebouwd die bedoeld is om satellieten, raketten en ruimteschroot te kunnen volgen. De radar ‘Grand Réseau Adapté à la Veille Spatiale’ (GRAVES) zendt met een zeer groot vermogen uit op een frequentie net onder de 2-meter amateurband. Het is bekend dat de reflecties van deze radar zelfs over een afstand van ruim 1200 km te ontvangen zijn. Hierdoor is het ook mogelijk om met een richtantenne en een RTL-SDR dongle het radiosignaal van de Franse ruimteradar in Nederland te ontvangen. Aangezien meteoren ook kortstondig door de bundel van de radar bewegen en onbedoeld worden aangestraald, is het mogelijk om deze echo’s (reflecties) van meteoren te detecteren.

De BRAMS en GRAVES radiobronnen zijn voor Nederlanders en Belgen de meteoorbakens die bij uitstek gebruikt kunnen worden om met een geschikte radio-opstelling de ‘meteor scatter’ te ontvangen.

Meteoren detecteren met een RTL-SDR dongle

De naam is hiervoor al een paar keer gevallen, “RTL-SDR dongle”. Deze USB-stick-achtige ontvanger is een zogenaamde Software Defined Radio (SDR). Het is een breedbandige radio-ontvanger die je via een laptop of PC bedient en zo kunt afstemmen op de gewenste frequentie. Ze zijn eenvoudig verkrijgbaar onder de naam van ‘DVBT / DAB sticks’. De dagen dat je meteoren alleen kon waarnemen met grote complexe radio-ontvangers en antennes, lijken daarmee verleden tijd (maar je kunt daar natuurlijk ook nog altijd gewoon meteoren mee waarnemen!). De betaalbare dongles maken het meteoorwaarnemen met radio bijzonder toegankelijk doordat iedereen wel met een laptop of computer bezit en zo aan de slag kan met deze interessante vorm van het meteoorwaarnemen.

Bouw zelf een geoptimaliseerde richtantenne

Net als een camera een geschikte lens nodig heeft om meteoren vast te leggen, zo heeft een radio-ontvanger een antenne nodig. Hoewel je de juiste antennes ook kunt kopen, is het veel leuker (en betaalbaarder) om zelf een antenne te bouwen die geoptimaliseerd is voor de frequenties van de GRAVES radar of de BRAMS meteoorbakens.

Foto’s: CAMRAS (Simon Bijlsma). Zelfgebouwde 3-elements Yagi-antennes voor meteoorwaarnemingen. Met de bouwbeschrijvingen op deze website kun je zelf een van deze antennes maken. Links de antenne geoptimaliseerd voor GRAVES (143 MHz) en rechts die voor BRAMS (49 MHz).

Tekstbijdrage: Simon Bijlsma (PA7SB), radiozendamateur, amateurastronoom en CAMRAS-vrijwilliger.