SID monitor
SID monitor
Monitorovanie náhlych ionosferických porúch je nenákladná a pomerne jednoduchá metóda nepriameho pozorovania veľmi zaujímavých dejov dostupná bežnému človeku. Výsledky meraní sú prekvapivé a natoľko presné, že sú porovnateľné s dátami z profesionálnych observatórií určených na pozorovanie slnečnej aktivity, kozmického počasia a detekciu vysoko energetického kozmického žiarenia.
SID (z anglického Sudden Ionospheric Disturbance) monitoring je nepriama pozorovacia metóda, to znamená, že nepozorujeme jav samotný, ale sekundárny dej, ktorý bol týmto javom spôsobený.
SID monitor meria intenzity odrazených rádiových vĺn vzdialeného vysielača VLF (Very Low Frequency, veľmi nízke frekvencie) od D vrstvy ionosféry. Zmeny v zložení ionosféry sú veľmi dynamické a menia sa v reakcií na dopadajúce slnečné či kozmické žiarenie. Tieto zmeny sa označujú ako náhle ionosferické poruchy.
Zariadenie tvoria tri základné časti: zdroj rádiových vĺn, odrazová plocha a prijímač - schematicky znázornené na obrázku [1].
Obr. 1: Schematické znázornenie detekcie odrazenej vlny
Ako zdroj rádiových vĺn nám slúži jeden alebo niekoľko vysielačov siete ponorkového komunikačného systému. Vysielajú na veľmi nízkych frekvenciách od 3 – 80kHz (jedná sa o ~10 až 100km vlny) a sú rozmiestnené po pobrežiach morí tak, aby ich rádiové vlny mali čo najmenej prekážok. Konštrukčné rozmery anténnych sústav sú vzhľadom na veľmi nízke frekvencie obrovské a ich výkon sa pohybuje v intervale desiatok až stoviek kilowattov. Zaberajú plochu niekoľkých futbalových štadiónov a ich výška presahuje 100 m, ako je vidieť na obrázku [2]. Aj keď je väčšina z nich zriadená na špeciálne účely, sú informácie o výkonoch, frekvenciách a lokalizácií známe. Tieto parametre sú dostatočné nato, aby ich nosné vlny bolo možné použiť ako zdroj signálu pre SID monitor.
Obr. 2: Veľké anténne systémy pre VLF
Čitateľa nepochybne napadne otázka, prečo práve VLF a ako súvisí ponorkový komunikačný systém s astronómiou? Jedna z vlastností rádiových vĺn VLF je, že prenikajú pod hladinu vody do hĺbky až niekoľko desiatok metrov. Môžu ich teda prijímať ponorky bez potreby vynorenia sa a to je strategický dôvod, prečo sú používané na špeciálne účely. Ďalšou vlastnosťou je ich výborná odrazivosť od D vrstvy ionosféry. Táto vrstva je pre rádiové vlny veľmi nízkych frekvencií nepriepustná a to až do takej miery, že sa od nej odrážajú akoby od zrkadla - vlastnosť, umožňujúca použiť popisovanú metódu.
Rádiové vlny sa opakovane odrážajú od D vrstvy ionosféry a od zemského povrchu. Pri dostatočnom výkone vysielača sú vedené ako vo vlnovode na vzdialenosti až niekoľko tisíc kilometrov. So zväčšujúcou sa vzdialenosťou sa ich kvalita zhoršuje a je značne rušená atmosférickými výbojmi. Optimálna vzdialenosť na dosiahnutie dobrých výsledkov je v intervale cca 900 km až 1800 km.
Ionosféra je časť hornej vrstvy atmosféry vo výškach 60 - 400km nad zemským povrchom. Tvorí ju ionizovaný plyn, ktorého elektrónová hustota závisí na výške nad zemským povrchom, nieje však rovnomerná a v rôznych výškach dosahuje maximálnych hodnôt. Tým vznikajú rozhrania, ktoré nazývame ionosferické vrstvy D, E, F1 a F2. Pre nás je v tomto prípade dôležitá najnižšia, D vrstva a to v čase, keď do nej preniká röntgenové a ultrafialové žiarenie Slnka. Obrázok [3]. Je tvorená priamym slnečným žiarením, teda vzniká pri východe a zaniká pri západe Slnka a tak sa aj tá najmenšia zmena intenzity žiarenia prejaví v jej kvalite. Predstavme si D vrstvu ako obrovský senzor z rozlohou približne 300 miliónov km2 , ako membránu, ktorá sa vlní v rytme slnečných a kozmických udalostí.
Obr. 3: Ionosféricke vrstvy
Šírenie VLF je za normálnych okolností veľmi stabilné a intenzita prijímaného signálu v priebehu dňa kopíruje profil, ktorého tvar je možné vidieť na obrázku[5]. Z pozorovania a monitorovania zmien, ktoré toto ich šírenie naruší, je možné určiť príčinu, ktorá to spôsobila. Nie vždy má spôsobená zmena pôvod mimo Zeme. Zmeny môžu byt vyvolané aj zo strany zeme počas zemetrasení a zdokumentovaná je aj ionosferická vlna vyvolaná počas testov nukleárnych zbraní. Ionosféra sa v takomto prípade chová ako vodná hladina. Rýchlosťou 600 m/s až 1200 m/s sa ňou prevalia ionosferické vlny.
Pre príjem rádiových vĺn je potrebný jednoduchý prijímač veľmi dlhých vĺn. Prijímač musí byť dostatočne selektívny, presne naladený na príslušnú frekvenciu vybraného vysielača VLF a čo je veľmi dôležite, musí mať konštantné zosilnenie.
Obr. 4: SID monitor
Na príjem signálu je z rozmerových dôvodov najvhodnejšia slučková anténa. Jej rozmery pre dobrý príjem nie sú nijako kritické ale v každom prípade platí zásada, že najlepší prijímač je dobrá anténa, pretože sa jedná o skutočne dlhé vlny v ráde 10km.
V praxi to znamená, že ak máme prijímač naladený napríklad na vysielač Tavolara, ktorý je na Sardínii a vysiela na frekvencii 20.27 kHz je dĺžka rádiovej vlny 14.8 km. Zodpovedajúca anténa pre túto frekvenciu by mala obrovské rozmery - menšia anténa je preto nutný kompromis. Naše antény majú priemer 120 cm. Ako nosná konštrukcia je použitá 20 mm duralová trubka, v ktorej je vo vnútri navinutých 32 závitov medeného drôtu o priemere 0.5 mm. Trubka zároveň tvorí ochranu pred poveternostnými vplyvmi. Obrázok [6].
Zosilnený jednosmerný signál je pomocou 12 bitového, analógovo-digitálneho prevodníku konvertovaný do digitálnej podoby, privedený do PC a spracovaný vhodným softvérom. Pre SID monitor je dôležitá len intenzita nosnej vlny a nie informácia, ktorú prenáša.
Správne nastavený prijímač nám dáva meniaci sa signál, ktorý zodpovedá okamžitej intenzite odrazených rádiových vĺn od D vrstvy ionosféry. Kozmické počasie je teda možné sledovať aj v reálnom čase ale ako je už zo samotného názvu „SID monitor“ zrejmé, vyhodnocovanie záznamu bude možné až po uplynutí určitej doby. Monitoring je potrebné robiť nepretržite, po dobu 24 hodín denne.
Obr. 5: Na obrázku je ukážkový celodenný záznam SID monitoru v čase nízkej slnečnej aktivity. Záznam postupuje nasledovne zľava doprava. Rádiové vlny sú počas noci odrážané od vyšších E a F vrstiev ionosféry a rádiový signál je z dôvodu ich scintilácie pomerne nestabilný. Svitanie, v podobe priamych slnečných lúčov dopadajúcich na ionosféru spôsobia zvýšenú ionizáciu a tvorbu D vrstvy ionosféry, čo sa v našom zázname prejavy ako dramatický pokles signálu, ktorý po určitej dobe dosiahne dennú hodnotu. Tá je počas celého dňa pomerne vyrovnaná a stabilná s miernym maximom, keď slnko prechádza miestnym poludníkom. Západ slnka v zázname vytvorí podobné klišé ako pri svitaní a zánik D vrstvy ionosféry je tak charakterizovaný postupným prechodom až do doby, keď sa rádiové vlny začnú znova odrážať od vyšších vrstiev ionosféry. Obdobný záznam sa opakuje každý deň s tým, že sa predlžuje alebo skracuje dĺžka denného záznamu, v závislosti na striedajúcich sa ročných obdobiach.
Obr. 5: Slučková anténa o priemere 1,2m
Trvalo niekoľko rokov, kým sa pojem „SID monitor“ ako tak usadil v slovníku slovenskej a českej astronómie. Dokonca už nie je potrebné nikoho presviedčať, čo je možné touto metódou merať a pozorovať.
Pre praktickú ukážku dát a zaujímavého merania sme vybrali deň 18.2.2011 v čase zvýšenej slnečnej aktivity, keď SID monitor Rudy BASE v Bojniciach zaznamenal slnečné vzplanutie. Rovnaká zmena bola aj v záznamoch SID monitorov na hvezdárňach v Partizánskom a v Hlohovci. Tento záznam sa objavil aj na stránke spaceweather.com
Obr. 7: Detekcia viacerých Slnečných vzplanutí počas 18.2.2011 detekovaná SID monitorom v Bojniciach (RudyBASE) publikovaná aj na stránkach NASA
Samotná detekcia slnečných vzplanutí slúži ako dostatočná ukážka citlivosti metódy SID monitora, avšak ten je schopný detekovať dokonca oveľa slabšie javy.
Takýto jav sa s veľkou pravdepodobnosťou podarilo detekovať 12. februára 2010. Obrázok [8]
Viaceré SID monitory v ten deň detekovali slnečné vzplanutie o sile M8,3. Po podrobnej analýze dát zo SID monitoru a družice GOES 14, ktorú následne urobil kolega Karlovský z hvezdárne Hlohovec, bola na vzostupnej strane hlavného peak-u slnečného vzplanutia zistená malá porucha. Táto porucha, ktorej začiatok bol o 11:25:22UT a trvala 33 sekúnd, bola súčasne zaznamenaná trojicou SID monitorov Partizánske, Hlohovec, Rudy BASE Bojnice. V rovnakom čase zaznamenali udalosť aj družice INTEGRAL a KONUS. Obe sú určené na detekciu gama zábleskov a na ich svetelných krivkách je vidieť zhodnú dĺžku trvania tejto udalosti. S veľkou pravdepodobnosťou je nami zaznamenaná odchýlka spôsobená práve gamma zábleskom GRB 100212. Potreba eliminovať lokálne poruchy a byť schopní potvrdiť obdobné merania je aktuálne najväčšou motiváciou pre vznik Slovensko - Českej sieti SID monitorov, ktorú pracovne nazývame SID cloud.
Obr.8: Detekcia GRB100212 pomocou SID monitoru
SID cloud
SID cloud je pracovným názvom siete softvérových SID detektorov. Softvérových preto, lebo signál je vyčítaný v celom pásme pomocou výkonných zvukových kariet a pomocou jednoduchého protokolu posielaný na jeden centrálny server. Týmto spôsobom je eliminovaný problém s lokálnym rušením a v princípe vznikne zariadenie, ktoré bude oveľa citlivejšie a nezávislé na akejkoľvek obsluhe. V budúcnosti bude stačiť postaviť si podla návodu SID cloudový modul, tvorený anténou, predzosilňovačom, počítačom s Linuxom a vhodnou zvukovou kartou. Po nainštalovaní SID cloudovej linuxovej distribúcie a pripojení do siete bude klient periodicky odosielať dáta na server, kde budú archivované a ďalej spracovávané. Celý systém SID cloudu je momentálne vo fáze testovania s niekoľkými anténami a v priebehu roku dôjde k pripájaniu ďalších. Takto postavená sieť umožní pozorovať aj veľmi slabé a krátko trvajúce zmeny v ionosfére.
Nedávnej dobe, bola celá myšlienka predstavená na medzinárodnej astronomickej konferencií IBWS 2011 v Karlových Varoch a stretla sa s medzinárodnou podporou, ktorej výsledkom bude rozmiestenie viacerých antén aj mimo územia Slovenska a Čiech.
V prípade že by mal čitateľ záujem zapojiť sa do projektu, bližšie informácie poskytneme na adrese sidmonitor@gmail.com
Rudolf Slošiar, Matúš Kocka, Richard Marko
linky:
http://spaceweather.com/archive.php?view=1&day=19&month=02&year=2011
