流星电波观测入门
原着:铃木和博.日文翻编:曹永杰
着者:日本资深流星研究者.为日本流星研究协会会员.日本重要流星无线电站爱知县丰川观测站站长
编翻:专长为仪器系统软体控制,天文观测及摄影资深同好.台湾桃园县龙潭业余流星观测站站长
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前言:
铃木先生也是我HRO观测启蒙老师之一,他是首先灌输日本HRO观念给我的人,再此谢谢他了...编者去年(1998年)的狮子座流星雨的新闻是年底的日本高中生选出的十大新闻中,排行前几位.足见大家对流星雨的关心....我是一位持教于高中地球科学的教师,在地科教学中活动中,狮子座流星群的极大期时间18日,我学校天文社有许多学生要在当日观测.预测狮子座流星雨极大期是在18日,但实际的极大期却是提早一日,发生在17日上午日本时间10点(台湾当地为早上9点).如图1所示.这段时间是在白天发生流星雨现象.肉眼和光学观测是看不到的....在日本唯一能够观测的仅是无线电观测.因为无线电观测无论是白天或晚上均能精确观测流星雨数量的变化.而今年(1999年)狮子座的流星雨的极大期无线电观测就非常重要.许多日本的流星雨无线电同好已经开始准备....去年预测错误的教训一定会深深知晓....
流星造成大气层的局部电离化:
彗星在经过轨道的过程中,遇到太阳风压的吹袭中, 遗留在轨道中的尘埃颗粒中,一般仅有数克质量.而这些颗粒遇到地球引力而掉落大气层中速度约在40公里/秒,在此速度下和大气分子产生磨擦.于是空气分子产生电离(产生自由电子脱离空气分子)现象.于是就造成在特定条件下,可以反射高频的无线电波.此反射层的产生约距离地球地面100公里以上的高空.其实在100公里以上的高空,因太阳的紫外线等高能量射线下,均有许多自由电子的产生存在于这些大气中(即电离层),使得无线电的短波频带(HF带,3-30MHz)可以在电离层中反射而传导资讯.若自由电子的浓度突然再激增,就可以传导更高频的超短波无线电(VHF频带.30-300MHz).我们利用发射方式向天空发射超短波无线电,通常无自由电子激增的大气会使这些电波直接穿透至太空.但是在距地100公里左右的高空若有流星落下,产生足够的电离浓度.就会使此高频的无线电反射至地面.在计算其反射角度下的适当接收站就会接收到此无线电讯.此为计算流星回音(Echo)讯号在每小时计数(HR)的原理.
日本流星电波观测历史:
自第二次大战以后,美国,欧洲及前苏联等国家对于利用高功率雷达探测流星活动非常盛行.而近年来,日本的国立京都大学超高层电波研究中心利用高功率MU雷达也取得许多研究成果.MU雷达为水平式高功率天线,可以发射46.5MHz,功率达1MW(百万瓦).可发射后立刻接收同时间流星的Echo讯号.对于高空层的众多流星研究有许多贡献.1970年以后,利用FM远方电台的反射讯号接收非常流行.FM电波播放(日本电台频率在76-90MHz)为超短波带,所以播放范围若超过数百公里以外就非常困难.但有时候也会瞬间听到远方电台的传播.这是因为浓厚的电离层(编者:E层)将超短波的FM反射至地面或流星反射的原因.此方式可以选择较多的电台作信号源,但近年日本由于电台过密的情况严重,此方法已经很难观测了(编者:终于和台湾一样了...).
最新的观测法 HRO
自1996年开始,福井工业高等专门学校(编者:国立福井工业专科学校)电子资讯科的前川公男先生(也是京都大学超高层研究中心中村卓司博士的研究助理),开始在其校内发射53.750MHz的CW示标(Beacon)电波,功率为50瓦(24小时发射).其电台正式呼号为 JA9YDB此方式是利用火腿无线电通讯方式做为流星观测.所以又称为HRO(Ham radio observation)HRO现已是全世界的最重要的共同观测方式.此BEACON电台自今已经3年了,其间仅5天因故停止发射,所以是个相当稳定的50MHz示标台.在此也非常感谢前川先生的热心帮忙.现在前川先生也从事太空航空的研究工作,人正在南极昭和基地内和一位堤雅基先生(取得极地流星电波观测学位)作高空电波传导研究,平常以e-mail和我们传送讯息...
HRO的实际需要:
1)发射电台:
HRO的发射电台因素和电波型态是读者们需要了解的,以日本而言,必需距离福井县100公里以上的新设站者才可以使用此电台做为发射电波源.如果最远为北海道附近(距离1000公里左右).现在日本全国约有10个观测站常态监视流星群的活动.如果接收福井县福井工专Beacon电台困难的话(如距离福井100公里内的地区),可以接收九州,宫崎市内的县立宫崎大学业余无线电社的示标电台(呼号为JA6YBR,龙潭站现以此示标台为无线电源.但接收为特殊USB mode 50.0169MHz.和cw错开,不易受cw干扰).频率为50.0175MHz cw mode方式传送.属于国际业余无线电示标台标准频率带内(编者:国际无线电示标台范围为50.00-50.10MHz).
但由于季节性E层的异常传导(编者:为E层突发现象.即 E layer sporadic),会影响流星echo的接收,但比起 FM方式观测的干扰要好多了....由于福井工专和宫崎大学均使用50MHz带的频率,所以50MHz观测流星,已经是世界性的潮流.FM观测已经因电波环境日渐恶化而日渐示微...现在全日本的流星电波观测站均接收福井工专及宫崎大学的示标台为主,所以日本第一考虑是福井,第二是宫崎.
2)接收机:
如果是HRO方式观测,对于业余无线电的知识及资金的花费必要有所认识.如此能才能对观测所需器材有所正确选择.如日本Alinco公司的DJ-X10全频接收机(定价日被币54,800元),一般无线电贩售店为40,000元左右.但二手机大约20,000元.使用为镍镉电池可以重复使用.实验时使用Alkaline电池可维持10小时以上.此机种是纯接收机,无法作射频发射电波.如果日后要发射波如此则需业余无线电执照(编者:国内最好取得4等基地电台执照,才有国际公认的电台呼号.在国际无线电界间,无政府给予呼号是不被承认的.因为使用50MHz天线太大,如果有人检举也很麻烦.如何考照请去电交通部电信总局.否则无照处罚10万元以上,50万元以下),如我本人使用Icom IC575及 IC-706MKII机种(编者:此机种国内要有机器认证及2等BV无线电执照).
3).天线:
50MHz天线在国内卖店中,均为较高价位天线.但有一种2元件HB八木天线价格便宜,同时性能优异.也不占空间.此天线价位在1万日元以下.(编者:此天线虽便宜,但国内甚少进口,也因台湾距离日本九州在1000公里以上,需要较高增益...建议使用4元件天线.价格日币在19,000元左右).购买时一定要和无线电贩店说明接收机的接头(一般为BNC接头),天线的信号线(5D2V)长度为10公尺左右,越长容易降低感度.所以尽量不要太长...天线的安装依说明书安装后,若接收电台对发射源距离在200-300公里以内,天线要朝天顶.若长于此距离则为水平方式对着发射电台.(编者:此方式当然适合台湾.在台湾先要计算距离宫崎大学距离后,依一次传导反射点高度计算天线仰角即可.龙潭观测站为水平方位225度.仰角7度.距离约1,125公里).
4)计录装置:
我自己的记录方式是以录音方式进行,一般是以接收机的audio输出为信号输出,再利用长时间录音方式记录.如现在的最长的v8录影带可达9小时(编者:我是不知道台湾有否长长的录影带发售?).同时一般录影机均有液晶显示录影资料.
5)流星Echo的接收:
使用HRO方式接收流星讯号,在开始时要习惯流星反射特有的音频.一般初学者在使用之初会有紧张的现像发生...接收之前,首先检查天线是否有安装问题,BNC接头如在外面是否有防水保护及稳固?接收机操作时,电源检查.接收模式为CW或USB等.频率要调整正确.此时要注意的是虽然频率正确了,但因为远方电台并产生反射传导.所以讯号进入接收机后多少都会有音频失真.如接收频率为福井的53.7500MHz.但却有0.8KHz的频宽,所以多少会在此范围内变化.所以以有微调频率(1Hz或10Hz)方式微调至正确的CW或USB音频以利收听及录音.如收到大流星较强的反射讯号是可以听到清析的CW特有音频(编者:但一般小或微流星则多为突发单声"bo"的音响.此点和连续的背景杂音是有所区别的).另外较便宜的接收机并无此高解析微调(Fine Tuning)设备. 此点选购时需注意...接收设备若没问题,有些非流星的Echo的讯号也要注意:在夏天(中高纬度国家)时,在午后的E层突发传导现象也要注意,此现像会传导发射电台电波一段相当长的时间.和流星极短时间反射的电波时间有极大不同.最后一些飞行在对流层的飞机金属的表面也会反射电波,但由于飞机有其飞行速度,所以音频会有升高或降低的音响产生.此点为杜普勒频率偏移所导至.以上的问题,在晚上和清晨低杂音的背景环境下,会较容易分辨.一般流星均维持在1秒以内,若有数秒的持续时间则通常是有烟痕的火流星所反射的.一般观测站若安装无问题,但因每站距离和大气环境有所不同,所以数据不会有所一致的.在清晨的时间1小时约有10个以上的echo记录.
6)英仙座流星雨:
流星雨中最有名的流星雨.极大期发生在13日深夜至天亮一段时间.由于极大期时间极为稳定.许多无线电观测站均会加入此流星雨监测.流星肉眼观测极为状观及具醍醐味...在此所介绍的接收机为手持式,可以在户外安装观测,眼视观测加上电波观测更是绝佳搭配...记得20年以前,笔者在户外观测英仙座流星雨时,由于也使用 FM监听远方电台.在眼视的视野中央突然有颗带烟的火流星划过天际.耳边的FM收音机也马上传出FM东京电台的音乐长达1分钟之久(平常是收不到),当场直觉不可思议的心情至今依然无法忘怀!因为英仙座的流星雨多为速度快且明亮的大流星出现.所以不论是眼视或无线电观测都会是丰收的观测.
7).此次的狮子座流星雨:
今年最受注目的狮子座流星雨由于去年预期的极大期并未出现大流星雨,所以今年要确定长时间观测计划.11月17日-19日3天的连续观测是监测极大期出现的重要时刻.但是由于狮子座流星雨的辐射点是在晚上23时到下午的13时止(编者:台湾为晚上22时至中午止).所以有一大半的时间非得靠无线电观测不可.所以学校的天文社活动要考虑此点. 但HRO则无此问题.只要在山上选个杂音少的地点,架设天线即可连续观测.(编者:下雨天也不怕!可谓天下超级无敌流星观测...HRO真幸福!不过打雷,附近又没有比你天线更高的金属物的话,就要赶快拔线拆机加上赶快跑离,躲入车内或水泥建物内.....切记!!!!! )
8).正式的流星电波:
使用音频频谱系统HRO观测可以用将影像用电脑储存,另外此方式可参考由亚东天文学会的会讯杂志"天界"(Vol 79.no 881.P22-31)利用业余无线电作流星电波观测解说,由前川先生作更详尽解说.(有兴趣购买为500元日币.洽东亚天文学会)另外先前所说的MU雷达方面,因京都大学的电波观测为AM方式, 但观测原理和HRO是一样的.(有兴趣者可进入网站http://www.kurasc.kyotou.ac.jp...u/muope.html)可以知道其MU运转情况及现况.利用和MU雷达方式.使用更高功率作流星观测可得到更多微流星的资料,此方式是可期待和试验的....
原着者:铃木和博 e-mail: kazuhiro@suzuki.or.jp