Fabry Adrian YO2NAA

Radioclubul QSO Banat Timisoara - YO2KQT

Meteoriţii şi meteorii, denumiţi popular "stele căzătoare", au fascinat întotdeauna. Spectacolul oferit de către aceştia este deosebit, în special cu ocazia roiurilor meteorice majore. Majoritatea acestor obiecte sunt meteori, fragmente minuscule care ard complet în atmosferă, la altitudini cuprinse între 85 - 120 km şi nu ajung să lovească suprafaţa solului, spre deosebire de meteoriţi care nu se consumă complet şi ajung până la nivelul  solului, care însă sunt extrem de rari în comparaţie cu meteorii. Datorită vitezelor foarte mari cu care intră în atmosferă (10 - 80 km/s) un meteor de mărimea unui fir de nisip (şi nu e o exprimare poetică) poate ioniza o coloană de aer lungă de 10 - 40 km, în funcţie de viteză.  Lăţimea coloanei ionizate poate fi de la 1m la câţiva metri.

Miliarde de astfel de meteori intră zilnic în atmosferă. Majoritatea provin din resturile rămase la trecerea diferitelor comete sau din materialul expulzat de către Soare. În traiectoria sa în jurul Soarelui, Pământul întâlneşte aceste mici fragmente de materie, care sunt atrase în câmpul gravitaţional al acestuia şi îşi încep călătoria de mare viteză, care va fi şi ultima...

Meteorii se pot împărţi în două categorii : sporadici şi roiuri. Meteorii sporadici apar permanent, având un maxim în jurul orei 6 dimineaţa (ora locală) şi un minim în jurul orei 18.  Această variaţie se datorează faptului că Pământul se deplasează având de zona de răsărit în faţă şi zona de apus în spate, şi la fel cum majoritatea insectelor se lovesc de parbrizul maşinii, şi foarte puţine de lunetă, majoritatea meteorilor vor lovi zona din faţă, adică cea în care răsare soarele. În plus, meteorii de dimineaţă sunt mai rapizi deoarece se adaugă şi viteza Pământului (30 km/s) şi deci vor produce refle xii mai bune.

Graficul cu distribuţia zilnica din figura priveşte meteorii detectaţi de un radar pe frecvenţa de 50 MHz, folosind o putere radiată foarte mare (90Kw si o matrice cu multe antene). Din cei 250 de meteori pe oră detectaţi de către radar în jurul orei 6, poate doar 10 - 15 dintre aceştia ar putea produce o reflexie detectabilă în condiţii de amator, în banda de 10m. La frecvenţe mai mari numărul reflexiilor va scădea şi mai mult.

Meteorii sporadici au şi o variaţie anuală, cu un maxim în luna iulie şi minim în martie, cauzat de neuniformitatea materialului meteoric de-a lungul traiectoriei  Pământului şi de variaţia înclinaţiei axului Pământului faţă de direcţia de mişcare a acestuia.

Roiurile de meteori au o periodicitate anuală, unele din ele având o rata foarte mare de meteori (100 meteori / oră). Deseori în cazul roiurilor meteorii au dimensiuni mai mari decât cei sporadici, producând reflexii puternice şi de lungă durată. Roiurile se repetă anual  deoarece se produc atunci când Pământul întâlneşte resturi rămase de la trecerea diferitelor comete pe traiectoria sa in jurul Soarelui. Meteorii din cadrul roiurilor par să vină dintr-o anume direcţie, denumită radiant. Constelaţia cea mai apropiată de direcţia radiantului dă numele roiului. De exemplu roiul Perseide are radiantul înspre constelaţia Perseu.

Propagarea undelor radio este posibilă datorită ionizării aerului produsă meteorul în cădere. Există două tipuri de reflexie: supradensă şi infradensă.

Reflexia supradensă are loc atunci când frecvenţa critică a masei ionizate este mai mare decât frecvenţa radio utilizată. În acest caz unda nu pătrunde în interiorul coloanei ionizate, ci reflexia are loc la suprafaţă, rezultând un semnal puternic. În cazul reflexiei infradense, frecvenţa este mai mare decât frecvenţa critică, ea pătrunde în interiorul coloanei ionizate şi este împrăştiată sub diferite unghiuri, de unde şi denumirea meteor scatter, care de fapt nu include toate felurile de reflexie meteorică. Semnalul rezultat în urma unei reflexii infradense este mai slab şi de mai scurtă durată.

Durata unei reflexii infradense în banda de 28 MHz este sub 2s, iar în banda de 50 MHz sub 1s. O reflexie supradensă poate dura între 2s şi câteva minute în 28 MHz. În cazul roiurilor cu rate mari de meteori,  reflexiile se succed aşa de des încât se creează impresia unei deschideri continue a benzii, gen E sporadic. Aşa s-a întâmplat de exemplu la 1 septembrie 2007, când un "outburst" al roiului Aurigide a produs o deschidere de aproximativ 2h a benzii de 2m, confundată de mulţi cu E sporadic. De asemenea cu ocazia Perseidelor (13 august 2007) banda de 28 MHz s-a deschis pentru mai multe ore, în plină noapte.

Iată câteva exemple de reflexii meteorice în banda de 28 MHz:

Desigur, se poate ridica întrebarea, de altfel justificată   "De ce meteor scatter pe unde scurte ?"  În mod uzual, meteor scatter (MS) se foloseşte intens în 50 si 144 MHz, chiar şi în 432 MHz, benzi în care via MS se fac DX-uri valoroase, în absenţa altor moduri de propagare la distanţe mari.

Iată câteva motive în favoarea utilizării MS pe unde scurte:

-          experimentarea unui mod de propagare exotic folosind puteri şi antene modeste. Să nu uităm că radioamatorismul este mai mult decât goana după performanţe şi acumularea de noi entităţi, există şi latura aceasta a experimentării, care poate aduce satisfacţii deosebite.

-          antrenament şi familiarizare cu tehnicile MS, cu software-ul aferent, util la abordarea ulterioară în VHF

-          studierea colaterală a diferitelor moduri neuzuale de propagare în unde scurte (tropo, ionoscatter, Es, backscatter) care de multe ori se manifestă în timpul experimentelor MS.

-          acumularea de puncte în concursuri, în benzile superioare, în perioadele de minim solar sau la ore la care alte forme de propagare nu mai sunt prezente, lucrând via MS (operatorii cu experienţă ştiu de altfel să folosească propagarea via MS - de exemplu în ARRL 10m contest)

Dacă argumentele de mai sus ne-au convins că merită să abordăm MS pe unde scurte, să vedem cum putem realiza primul QSO.  Spre deosebire de VHF unde de regulă este nevoie de o antenă bună şi ceva putere (cu toate că în 2m se pot realiza QSO-uri chiar şi cu 20-30W şi o antenă de 8 EL, punând însă la grea încercare răbdarea partenerului de QSO, hi), în unde scurte se poate experimenta MS cu dotări normale, cum ar fi o antenă dipol şi 50W.  Desigur, şi în acest caz o antenă de câştig sau o putere mai mare vor scurta semnificativ timpul de aşteptare dintre reflexii.  Spre exemplu DA0HQ în campionatul IARU din 2007, lucrând în banda de 10m CW producea reflexii puternice aproape în fiecare minut, realizând QSO după QSO  via MS, cu sau fără ştirea partenerilor.

Un experiment MS foarte uşor de efectuat este ascultarea balizei DL0IGI de pe 28.205 MHz, care emite cu 48W şi o antena verticală. Orele dimineţii (6 - 10 ora locală) sunt cele mai productive, cu reflexii mai dese şi mai lungi, dar şi seara, dacă se ascultă suficient de mult timp există şansa recepţiei balizei via MS. Pentru a putea evalua durata şi tăria semnalelor, (şi pentru a fi siguri că nu avem iluzii auditive, hi) recomand monitorizarea semnalului cu un software specializat, cum sunt Spectran sau Spectrum Lab, ambele disponibile gratuit.

Spectran se poate descărca de la http://digilander.libero.it/i2phd/spectran.html iar Spectrum Lab de la  http://freenet-homepage.de/dl4yhf/spectra1.html. Acestea folosesc placa de sunet a calculatorului.

Pentru a realiza QSO-uri, cel mai indicat este a se utiliza programul WSJT, creat de K1JT, laureat al premiului Nobel pentru fizică, software conceput special pentru comunicaţii via MS (modurile FSK441 şi JT6M) precum şi pentru semnale foarte slabe (modurile JT65).

Programul WSJT se poate descărca de la http://physics.princeton.edu/pulsar/K1JT/

Cei care nu agrează modurile digitale pot folosi SSB sau HSCW fiind însă necesare puteri mai mari.

În continuare voi descrie pe scurt utilizarea modului JT6M al programului WSJT. Modul JT6M a fost conceput şi optimizat pentru MS şi ionoscatter în banda de 6m, şi de asemenea este foarte potrivit şi pentru MS în benzile HF.

Interfaţarea cu transceiverul se face la fel ca la orice mod digital care foloseşte placa de sunet a calculatorului. În ceea ce priveşte operarea, există câteva diferenţe majore faţă de programele pentru moduri digitale uzuale:

-          nivelul de recepţie este destul de critic şi trebuie ajustat pentru indicaţia de 0 dB

-          pentru a se trece la recepţie trebuie apăsat butonul "MONITOR"

-          pentru QSO trebuie apăsat butonul "AUTO" după care va emite la intervale de câte 30s (30s TX, 30s RX)

Deci se emite 30s, apoi se recepţionează 30s şi tot aşa, iar partenerul de QSO în mod similar dar desigur perioadele RX şi TX inversate. Este foarte importantă sincronizarea cât mai precisă a ceasului de la PC, care se poate face cu un software dedicat cum este D4 sau socketwatch. Se pot descărca de la http://www.thinkman.com/dimension4/ respectiv http://www.robomagic.com/swatch.htm

Pentru modul de efectuare a QSO-urilor MS se recomandă consultarea procedurilor adoptate de IARU, care se găsesc la http://www.vhfdx.de/ms_howto.pdf

JT6M foloseşte o modulaţie FSK cu 44 tonuri, un ton pentru sincronizare şi 43 de tonuri pentru cele 43 de caractere suportate. Tonul de sincronizare este 1076.66 Hz, iar celelalte 43 de tonuri sunt la un ecart de 21.53 Hz, ultimul fiind deci la 2002.59 Hz. Fiecare al 3-lea simbol transmis este un ton de sincronizare. Rata utilă este 14.4 caractere pe secundă.

Prin urmare, reflexiile cu durata sub 1s nu vor putea conţine 2 indicative lungi, ci doar un CQ sau 2 indicative scurte.

Iată cum arată fereastra principală a WSJT în modul JT6M:

Mai multe detalii despre configurare şi diverşi parametrii se găsesc în manualul de la WSJT, care este recomandabil a fi parcurs înainte de folosirea programului. O facilitate utilă este decodarea fişierelor înregistrate, comportarea fiind similară cu recepţionarea acelui fişier.

Un pachet de fişiere exemplu (samples) se poate descărca de pe pagina WSJT, iar fişiere tipice JT6M via MS pe HF se găsesc pe pagina http://www.qsl.net/yo2naa/ms.htm

JT6M va decoda reflexiile apărute pe durata celor 30s de recepţie, dar va încerca şi o decodare prin analiza întregii perioade recepţionate, făcând o mediere. Acest gen de decodare este utilă în cazule semnalelor foarte slabe dar de lungă durată. Un mesaj decodat prin mediere pe întreaga perioadă de recepţie este marcat cu un asterix (*) la sfârşitul liniei. În acest caz nu mai apare momentul şi durata reflexiei.

Un clic-stânga pe oscilogramă decodează o porţiune de 4s, iar un clic-dreapta 10s.

În afară de oscilograma de culoare verde care indică nivelul semnalului, mai există o oscilogramă de culoare galbenă care reprezintă nivelul tonului de sincronizare.

De multe ori un clic pe o zonă aparent plată va revela o decodare surprinzătoare, datorită faptului că JT6M reuşeşte să decodeze şi semnale foarte slabe, aflate sub nivelul zgomotului.

Observaţii privind realizarea QSO-urilor MS în benzile HF

În cazul în care QRB este foarte mic (50-200km) multe din reflexii pot fi foarte scurte, sub 1s. În acest caz modul FSK441 al lui WSJT, care a fost conceput pentru reflexii MS în 144 MHz, este mai potrivit, acesta transmite cu o rată mult mai mare astfel că o reflexie cu durata de numai 40ms poate conţine ambele indicative. Pe de altă parte FSK441, spre deosebire de JT6M nu poate decoda semnale foarte slabe, înecate în zgomot.

QSO-urile MS HF la QRB redus (50 - 400km) au şanse mai mari de reuşită decât cele la distanţe mai mari (1000-2000 km) deoarece  reflexiile sunt mai puternice şi meteorii care pot produce reflexia sunt mai numeroşi,  ei putând fi localizaţi atât între cele două staţii cât şi în spate sau lateral (backscatter, sidescatter). Frecvenţa critică a ionizării cauzate de meteori este de regulă suficient  de mare pentru a reflecta semnalele HF chiar şi pentru QRB = 0, cum este cazul radarelor (TX şi RX se află în acelaşi loc, reflexie este verticală). Un alt avantaj al distanţelor scurte este reducerea semnificativă a şanselor de propagare via ES sau F2, cu precizarea că distanţele sub 100km pot aduce alte surprize, propagare tropo. Am experimentat un astfel de caz într-un QSO pe 21 MHz cu HA5LV la un QRB de 252 km, când am rămas surprins să aud un semnal slab dar destul de constant. HA5LV transmitea cu 1kw şi 3 EL YAGI. După ce a redus puterea la 100W, nu s-a mai auzit via tropo în schimb meteorii au cauzat reflexii spectaculoase, mult mai puternice decât semnalul tropo iniţial. Înregistrări audio JT6M ale acestui QSO se pot descărca din pagina mea pe care am menţionat-o anterior.

Banda optimă pentru meteorscatter pe unde scurte este 28 MHz. Am obţinut rezultate foarte bune şi în banda de 21 MHz. De asemenea se pot realiza QSO-uri şi in 14 MHz, dar zgomotul este mai mare şi la QRB suficient de mari propagarea via F2 sau Es devine deseori dominantă.

Mituri despre meteor scatter

1. Nu se pot efectua QSO-uri MS decât pe perioada roiurilor meteorice majore

Adevărat doar pentru SSB. Folosind WSJT sau HSCW, QSO-uri MS se pot face practic oricând, folosind meteorii sporadici, preferabil dimineaţa, când rata meteorilor este mai mare.

2. Este necesară putere mare şi antene de câştig mare

Fals, am realizat QSO-uri MS pe 2m cu 30W şi un YAGI 8 EL, iar pe scurte cu 50W şi dipol,

în afara roiurilor majore de meteori. Trebuie doar mai multă răbdare. Iar cu ocazia perseidelor de anul acesta (2007) am făcut 35 de recepţii MS pe 2m cu o antena HB9CV cu  2EL amplasată în balcon la etajul 2, fără a putea folosi elevaţii mai mici de 5 grade - fişiere audio şi pozele cu antena sunt disponibile pe sit-ul meu.

3. Amplasamentul trebuie să fie la înălţime şi bine degajat

 Fals, se poate lucra uşor din amplasamente fixe obişnuite, majoritatea QSO-urilor MS se fac cu elevaţii între 3 şi 15 grade. Un amplasament la înălţime şi bine degajat măreşte însă şansa QSO-urilor la distanţe mari, 1800-2300 km.

4.Semnalele MS sunt foarte slabe, trebuie neapărat un preamplificator de zgomot mic

Fals, reflexiile sunt de regulă suficient de puternice dar majoritatea foarte scurte, în special  pe 2m. Pe unde scurte reflexiile sunt mai slabe deoarece puterea radiată efectiv este mai mică decât în VHF – datorită antenelor de câştig mai redus folosite în HF. Însă semnalele MS sunt de cele mai multe ori audibile,  spre deosebire de EME unde de cele mai multe ori semnalele nu sunt audibile dar sunt totuşi decodate de WSJT.

Cum ştim dacă semnalul s-a propagat via meteor scatter ?

După cum am menţionat anterior, este posibil ca o reflexie meteorică în banda de 10m să ajungă chiar la o durată de câteva minute. În acest caz, este foarte greu de precizat dacă e vorba de meteorscatter, de E sporadic sau chiar de propagare F2 . Din fericire există instrumente care măsoară starea ionosferei în timp real, şi anume ionosondele.  Nu voi intra în detalii privind funcţionarea ionosondelor şi interpretarea ionogramelor, acesta este un subiect destul de vast dar există suficientă documentaţie în acest scop.  O ionogramă arată în felul următor :

Să presupunem că dorim să experimentăm un QSO via MS cu o staţie situată la 800km, în banda de 21 MHz, iar ionosonda se află undeva la mijlocul distanţei între cele două staţii.

Din multitudinea de parametri măsuraţi, ne interesează în special MUF şi f0Es. În exemplul de mai sus MUF = 21.99 MHz. Acest MUF se referă la propagarea via F2, la o distanţă de 3000km. Sub ionogramă se observă un tabel cu MUF pentru diferite distanţe. În funcţie de QRB se poate deduce dacă propagarea via F2 este posibilă sau nu în banda respectivă. Pentru cazul nostru la un QRB de 800 km,  MUF=8.3 MHz, deci QSO-ul va fi posibil în banda de 7 MHz, dar în benzile de 10, 14, 18, 21, 24, 28 MHz nu va fi posibil via F2. Astfel, un sked MS folosind banda de 21 MHz  la acel QRB de 800 km are toate şansele să nu fie deranjat de propagarea F2.

Un alt mod de propagare care poate anula şansele unui QSO via MS este propagare via Es (E sporadic).  În banda de 2m propagarea Es este un eveniment rar şi mult aşteptat, care are loc doar de câteva ori pe an. Pe unde scurte însă, mai ales în perioada mai-septembrie Es este prezent aproape zilnic. Pe ionograma prezentată se observă stratul Es ca o bandă aproape orizontală la o altitudine de aproximativ 100km. Frecvenţa critică Es, notată f0Es este 3.7 MHz. MUF corespunzător Es se poate calcula cu aproximaţie înmulţind f0Es cu 5, rezultând 18.5 MHz pentru exemplul nostru, şi acest MUF corespunde distanţei maxime pentru un hop Es care este aprox 2200km. Desigur că la QRB mai mici MUF Es scade, similar tabelului pentru F2.

Putem trage concluzia că dacă folosim banda de 21 MHz nu vom avea nici propagare via Es, indiferent de QRB. Am experimentat însă uneori un semnal slab, de nivel destul de constant, care nu putea fi nici MS, nici F2, Es sau tropo.  Presupunerea mea este că era vorba despre Es ionoscatter, adică o împrăştiere pe neuniformităţile de ionizare a stratului Es, chiar dacă MUF-Es era insuficient pentru o reflexie la frecvenţa respectivă. Pasionaţii benzii de 6m cunosc de altfel un fenomen similar, propagarea F2 ionoscatter, care însă necesită puteri mari şi antene de câştig.

Pentru reuşita QSO-ului MS, este bine să se aleagă intervalul 01-04 UTC, când şansele de propagare Es şi F2 sunt minime iar numărul de meteori sporadici este mare, interval foarte incomod pentru iubitorii somnului, hi. Pentru alte intervale orare, este recomandabil să se verifice mai întâi balizele din banda de 10m, care vor desconspira imediat un Es, şi ionosondele. Oricum, daca din primele minute ale skedului nu se recepţionează nimic, e de bine, înseamnă că formele de propagare amintite anterior nu sunt prezente, şi se poate aştepta cu speranţă căderea meteorilor care vor aduce mult aşteptatele reflexii. Majoritatea reflexiilor meteorice sunt suficient de scurte pentru a fi inconfundabile, dar în cazul unor reflexii foarte lungi sau a unor semnale constante, rămân metodele prezentate anterior pentru a determina ce fel de propagare a fost de fapt.

Resurse utile

În afară de adresele amintite pe parcursul materialului, următoarele pagini web conţin informaţii şi unelte utile celor care doresc să abordeze traficul MS:

Adrese de ionosonde:

http://digisonde.oma.be/cgi-bin/latest.exe?

http://195.251.203.15/cgi-bin/latest.exe?

http://www.iap-kborn.de/radar/Radars/Ionosonde/Plots/Archiv/LATEST.PNG

http://geo.phys.uit.no/ionosonde/

http://147.231.47.3/latestFrames.htm

http://ionos.ingv.it/Roma/LATEST.GIF

Radare meteorice:

http://www.iap-kborn.de/radar/Radars/OSWIN/meteor_aoa01.htm

http://www.iap-kborn.de/radar/Radars/Skiymet/sky_main.htm

Spectrograme meteorice în timp real:

http://www.tvcomm.co.uk/radio/live_b.html

Pagina lui OH5IY - software pentru predicţie meteorică şi teoria propagării MS

http://www.kolumbus.fi/oh5iy/

Pagini de chat pentru stabilirea skedurilor:

http://www.chris.org/cgi-bin/jt65talk

http://www.on4kst.info/chat/start.php

International Meteor Organization - calendar meteoric

http://www.imo.net/

Reflexii MS audio în timp real:

http://www.roswellastronomyclub.com/radio_meteors.htm

http://www.spaceweather.com/glossary/nasameteorradar.html

Cei care doresc să experimenteze un QSO via MS pe unde scurte sunt invitaţi să-mi scrie pe adresa de email fabry@rdslink.ro pentru a stabili un sked.

La final aş dori să-i mulţumesc lui Joska,  YO5AVN, care în 1986 mi-a dat şansa să asist la primul meu QSO MS, care a fost unul din cei care m-au iniţiat în radioamatorism şi care mi-a pus de multe ori la dispoziţie cu generozitate rig-ul său în expediţii portabil de neuitat. De asemenea doresc să mulţumesc Radioclubului QSO Banat, YO2KQT, care mi-a pus la dispoziţie un TRX fără de care nu aş fi putut efectua experimentele şi QSO-urile MS pe unde scurte, lui Szigy, YO2IS pentru consultanţa privind fenomenul MS şi multe altele, lui Dan YO2LJB care mi-a permis efectuarea unor QSO MS pe 2m folosind RIG-ul său, precum şi tuturor celor care m-au sprijinit într-un fel sau altul.

73 şi cât mai multe reflexii MS !

Fabry Adrian YO2NAA

Articol aparut la 2-12-2007

14430