„O tym co spada z nieba, czyli małe ciała w Układzie Słonecznym”
Tematem mojego referatu będą małe ciała w Układzie Słonecznym, czyli meteory. W pracy opiszę metody obserwacji meteorów od tej najprostszej z wykorzystaniem oczu, po trochę bardziej zaawansowane, które wymagają odpowiedniego sprzętu. Następnie krótko wytłumaczę, po co w ogóle prowadzić tego rodzaju obserwacje. W tej pracy chciałbym udowodnić, że przeciętny człowiek nie koniecznie związany z astronomią, przy odrobinie chęci może również przyczynić się do badań nad meteorami.
Na początku dla lepszego zrozumienia dalszej części wyjaśnię kilka pojęć, które będą dosyć często pojawiały się w tekście, a nawet już zdążyły się pojawić.
Meteorytyka – nauka o meteorytach i związanych z nimi zjawiskach. Jej przedmiotem jest określanie składu chemicznego i budowy fizycznej meteorytów i klasyfikowaniu ich na tej podstawie. Zajmuje się również określaniem wieku meteorytów i ich pochodzeniem. W kręgu jej zainteresowań leży również badanie okoliczności upadku meteorytów na podstawie pozostawionych przez nie kraterów uderzeniowych. Jednym z głównych problemów tej nauki jest pozyskiwanie materiału do badań. Rzadko udaje się odnaleźć meteoryt tuż po upadku.
Meteoroid – ciała o zróżnicowanym rozmiarze obiegające Słońce po orbitach eliptycznych. Wyróżnia się dwa rodzaje meteoroidów: kometarne, oraz planetoidalne. Pierwsze pochodzą od komet, które tracą materię podczas swojej wędrówki, zaś drugie powstają na wskutek fragmentacji podczas zderzenia planety z dużym obiektem meteoroidowym.
Meteor – bardzo często określany nazwą „Spadająca gwiazda”. Meteorem nazywa się meteoroid, który wszedł w atmosferę ziemską. Świecenie meteoru wywołane jest przez jonizację warstw atmosfery. W wyniku tarcia tego ciała o cząsteczki powietrza powoduje w ten sposób rozgrzewanie, co za tym idzie stapianie zewnętrznej warstwy meteoroidu, która paruje i miesza się z atmosferą.
Meteoryt – meteor który w całości nie uległ spaleniu i dotarł do powierzchni Ziemi.
Bolid – bardzo jasny meteor którego jasność przekracza -4m.
Radiant – miejsce z które meteory danego roju wylatują.
ZHR – zenitalna liczba godzinna. Ilość meteorów którą możemy zaobserwować podczas godziny przy jasności granicznej 6,5m i radiancie znajdującym się w zenicie.
Zacznijmy od krótkiego przeanalizowania drogi meteorów przed dotarciem do Ziemi.
Swój początek mają u dwóch źródeł. Pierwszym z nich są komety, które tracą swoją materię podczas wędrówki (pochodzenie kometarne). Innym źródłem są meteory powstałe na wskutek zderzenia ze sobą planetoid i innych ciał meteorowych (pochodzenie planetoidalne).
Jak to się dzieję, że meteoroid wchodzi w ziemską atmosferę?
Bardzo często ludzie mówią o tym, że to meteoroid przylatuje do Ziemi. Jest to niestety stwierdzenie fałszywe. Skoro z definicji wiemy, że porusza się on po swojej orbicie, to nie może przecież zmienić swojego kursu! Zjawiska meteorów widzimy na Ziemi w momencie, kiedy ona sama przecina orbitę meteoroidu.
Mając podstawowe informacje na temat tego skąd biorą się te małe ciała w Układzie Słonecznym czas przejść do sposobu ich obserwacji.
Pierwszy najbardziej znanym sposobem są obserwacje wizualne. Wymagają od człowieka sporo cierpliwości, jednak tym, którzy potrafią docenić piękno „spadającej gwiazdy” daje wiele frajdy i satysfakcji.
Prowadzi się je już od przynajmniej 2000 lat, a mówią o tym zapiski na temat chociażby roju Perseidów określanym, jako „łzy Świętego Wawrzyńca”. Ludzie przez ten czas odkrywali niebo i poprzez długotrwałe i systematyczne obserwacje bez użycia sprzętu, którego w tamtych czasach nie było prezentowali, co raz to nowsze informacje na temat meteorów. Ta właśnie systematyczność trwająca latami pozwoliła na określenie pewnych dni, w których meteorów było naprawdę dużo. Dni te dziś określane, jako maximum meteorowe. Dzięki stosowaniu szkiców każdej nocy ustalono również, że meteory nie latają sobie od tak po niebie, ale że mają swoje miejsca, z których wylatują. I tak odkryto pojęcie radiantu.
Mimo, że oczy do obserwacji używane są od tak dawna, to do dziś nie wymyślono niczego, co tak naprawdę mogłoby godnie zastąpić człowieka.
Przed udaniem się pod niebo powinniśmy przede wszystkim dowiedzieć się, jakie roje są w danej chwili aktywne, oraz w jakim miejscu na niebie (gwiazdozbiór lub okolice) mają swój radiant. Tego typu informacje znaleźć możemy na stronie http://imo.net
Na obserwacje powinniśmy wybrać się w miejsce jak najbardziej oddalone od wszelkiego światła i w miarę mało zarośnięte drzewami, czy innymi rzeczami przysłaniającymi niebo (najlepszą opcją są góry). Trzeba zabrać ze sobą jakiś ołówek do pisania, kartkę i słabo świecącą w kolorze czerwonym latarkę. Kolor latarki jest ważny, ponieważ ludzkie oko nocą bardzo słabo reaguje na czerwone światło, przez co oczy pozostają cały czas oswojone z mrokiem.
W zeszycie musimy odnotować kilka ważnych informacji. Po pierwsze musimy napisać godzinę i datę rozpoczęcia obserwacji. Kolejną rzeczą jest określenie widoczności granicznej. Jest ona niezbędna ze względu na to, że obserwacje prowadzi się w różnych warunkach. Czasem może to być miasto, a innym znowu świecący księżyc. Dzięki określeniu jasności i użyciu odpowiednich wzorów można obliczyć pewien współczynnik, który daje obraz tego, co zaobserwowaliśmy przy księżycu a tego, co moglibyśmy zaobserwować, gdyby go nie było. Dla przykładu Drakonidy 2011 – mimo, że według wykresów IMO ZHR dochodził do 300, to ja przez ponad 5h zaobserwowałem 93 sztuki, z kolei Perseidy 2010, kiedy ZHR momentami podchodził pod 100, ja przez nie całe 5h zaobserwowałem ok. 00 meteorów.
Są na to dwa sposoby. Po pierwsze patrzymy na wybrany przez siebie gwiazdozbiór i szukamy gwiazdy, którą widzimy bardzo słabo, zapamiętujemy ją i po powrocie do domu sprawdzamy w mapach nieba (jest masa programów z takimi mapkami) jasność gwiazdy. Drugim sposobem jest zliczanie gwiazd w polach stworzonych przez połączenie gwiazd z różnych gwiazdozbiorów. I tu po powrocie na spokojnie można zobaczyć ile gwiazdek udało nam się na liczyć i odczytać jasność. Pola oraz ilość gwiazd względem jasności można znaleźć na stronie Pracowni Komet i Meteorów – http://pkim.org
Teraz przechodzimy do zapisania informacji o meteorze, którego zauważyliśmy. Zaczynamy od godziny, w jakim pojawił się na niebie, następnie określamy rój. Jeżeli nie udało nam się go określić, bo nie wyleciał z żadnego radiantu jest to meteor sporadyczny. Następnie piszemy jasność meteoru. Określamy ją w jednostkach magnitudo porównując meteor od obiektów na niebie np. jasności gwiazdy polarnej wynosi 2, Jowisz -2m. Odnotowywanie jasności to kwestia wprawy. Po pewnym czasie dochodzimy do wprawy. Kolejną rzeczą jest odnotowanie prędkości w skali od 0 do 6, gdzie 0 to meteor stacjonarny (lecący prosto na nas). Określamy ją również według własnego upodobania. Z własnego doświadczenia mogę tylko powiedzieć, że im więcej meteorów widzimy, tym łatwiej jest nam taką prędkość określać.
Ważne jest, aby obserwacje prowadzić w określonych interwałach czasowych. Po rozpoczęciu każdego przedziału zapisujemy godzinę i jasność tak jak na początku.
Zatem przykładowa obserwacja może wyglądać następująco.
Start: 22:00, 7:14 (7 to nr pola a 14 to ilość gwiazd w tym polu) |
22:05 PER -2 4 (PER – Perseid, jasność -2m, prędkość 4) |
22:30 KCG 3 2 |
22:40, 7:15 |
PER 3 5 |
23:10 KONIEC |
A więc zakończyliśmy obserwacje, ale co zrobić, aby nasz wysiłek i cierpliwość mógł mieć jeszcze jakiś sens. Nasze nocne zapiski można teraz wysłać do Pracowni Komet i Meteorów, lub na stronę IMO w specjalnie przygotowanym do tego formularzu. Oto przykład takiego wykonanego już formularzu moich obserwacji (załącznik nr.1).
Obserwacje takie są ważne. Na ich podstawie są tworzone wykresy aktywności danego roju. Na podstawie wykresów z innych lat można określić czy rój wygasa, czy może przeżywa swoją aktywność.
Do zapisanych danych tak jak to prezentowałem wyżej można również dołączyć mapki, na których szkicujemy meteor. Dzięki temu, za dnia możemy na spokojnie przeanalizować to, czy dobrze określiliśmy jego przynależność, oraz na podstawie poprzednich szkiców może nawet (przy sumiennych i długich obserwacjach) uda się odkryć jakiś nowy rój.
A teraz wyobraźmy sobie zimę, noc trwającą 10 godzin i -10 stopni. Tak długotrwałe obserwacje są już poważnym zagrożeniem dla życia. Postęp technologii cyfrowej pozwala wykorzystywać maszyny do obserwacji meteorów. Myślę tu o obserwacjach video i foto.
Obserwacje meteorów za pomocą kamer video pozwalają na najwierniejszą rejestrację ich zachowania się podczas wejścia w atmosferę. Dzięki technikom video możliwe jest śledzenie rozpadu meteorów, wyznaczenie trajektorii każdego z odłamków osobno. Jest to również unikalna szansa obserwowania zachowania się pozostawionego śladu, który na zdjęciu fotograficznym przyćmiony by został przez blask przelatującego wcześniej meteora. W tej chwili w Polsce działa już ok. 50 kamer obserwujących niebo. Niestety mimo dużych czułości kamery nie potrafią wyłapać tak dużo „spadających gwiazd” jak człowiek. Kamery pod dobrym niebem rejestrują zjawiska ok. 4magnitudo. Natomiast ja sam często widuję 5m.
Sprzęt potrzebny nam do prowadzenia obserwacji niestety nie kończy się na kamerze. Ona sama powinna być czuła. Często używa się zwykłych kamer przemysłowych firm takich jak Tayama. Kolejnym wydatkiem jest obiektyw. Najlepszym jest obiektyw o dosyć szerokim kącie (<12mm) oraz odpowiednio jasny, abyśmy mogli rejestrować jak najwięcej gwiazd i najwięcej meteorów. Zwróćmy teraz uwagę na to, że obserwacje prowadzone są na powietrzu, zatem potrzebna jest odpowiednia obudowa oraz prosta grzałka. Oprócz tego potrzebny nam komputer i troszkę kabli do połączenia tego wszystkiego razem. W komputerze są instalowane odpowiednie programy rejestrujące przelot. Programami takimi może być MetRec albo UfoCapture. Wspomniane wyżej obliczenia możliwe są tylko dzięki współpracy wielu obserwatorów. By policzyć cokolwiek konieczne jest zaobserwowanie tego samego meteora, z co najmniej dwóch miejsc w Polsce. Nie jest to wcale takie proste ze względu na to, że niebo jest bardzo duże a pogoda nie zawsze pozwala na obserwacje.
Oczywiście kamery nocą rejestrują wszystko co się na niebie dzieje i nie są to tylko meteory. Latem, w okresie burz często rejestrują się tzw. Duszki, czyli sprity.
Kolejnym sposobem obserwacji, na jaki pozwalają nam technologie są obserwacje foto. Dzięki precyzyjnym obrazom fotograficznym jesteśmy w stanie określać położenia meteoroidów w atmosferze z dokładnością dziesiątków metrów, prędkości z dokładnością tysięcznych kilometra na sekundę, oceniać masy, badać właściwości fizyczne i chemiczne meteoroidu.
Niestety obserwacje fotograficzne meteorów, są bardziej wrażliwe niż wideo na zanieczyszczenie światłem, dlatego też wymagają w miarę ciemnego nieba. W zasadzie można przeprowadzać obserwacje foto z miasta, jednak będzie to wymagało zmniejszenia czułości aparatu i przymknięcia przesłony obiektywu. Takie ograniczenia spowodują niestety spadek ilości rejestrowanych zjawisk. Do tego typu obserwacji wykorzystuje się lustrzanki cyfrowe – najczęściej firmy Canon ze względu na dobrą redukcje szumu przy wysokim ISO. Obiektywy podobno jak w video najlepsze są szerokokątne np. Samyang 8mm. Dobrym jest też standardowy „kit” 18-55mm. Oprócz tego dosyć duża karta pamięci, wężyk spustowy i dodatkowe zasilanie. Jest to podstawowy zestaw, który można rozszerzyć o dodatkowe elementy. Jednym z nich jest shutter (załącznik nr. 3), czyli śmigiełko kręcące się nad obiektywem z odpowiednio dużą prędkością. Dzięki temu z łatwością możemy odróżnić meteor od czegoś wolniejszego, np. rozbłysk satelity, gdyż będzie on pocięty (załącznik nr.2). Oprócz tego warto wyposażyć obiektyw w grzałkę, która nie pozwoli na zaparowanie. Obserwacje wykonujemy w trybie zdjęć seryjnych najczęściej przy trzydziesto sekundowym naświetlaniu, ISO1600 oraz przysłonie 3,5.
Za dnia powinniśmy wszystkie zdjęcia przejrzeć. Jeżeli nie używamy shuttera, to musimy nauczyć się rozróżniać meteora. Mogłoby się wydawać, że jest to proste, jednak nie do końca tak jest…
1) Pierwsza rzeczą, która sprawdzamy przeglądając zdjęcia z nocy, to czy nasze zjawisko nie zostało zarejestrowana na następnej lub/i poprzedniej klatce. Jeśli dalsza części śladu zjawiska znajduje się na klatce przed lub po to zasadzie dyskwalifikuje go to na meteora. Meteor to zjawisko krótkotrwałe, dlatego szansa, że zarejestruje się na dwóch następujących po sobie ekspozycjach jest bardzo znikoma.
2) Kolejną pomocną rzeczą, którą oceniamy to symetryczność zjawiska. Przeważnie rozbłyski satelitów (Irydium, ale nie tylko) są symetryczne tj. jednostajnie jaśnieją, aby później jednostajnie przygasnąć. Meteory bolidy są zjawiskami, które mają przeważnie dość poszarpaną krzywa jasności tj. podczas przelotu „chaotycznie” rozbłyskują przygasają. Spowodowane jest to tym, iż meteoroid wpadający do atmosfery ulega rozpadom, fragmentacją, czego efekt widzimy w postaci rozbłysków.
3) Meteory a zwłaszcza bolidy mogą być zjawiskami dość barwnymi w odróżnieniu do satelitów które są białe (ewentualnie niebieskie w zenicie). Jeśli na swoich ekspozycjach odnajdziesz barwne zjawiska jak te poniżej to możesz być niemal pewien ze „złapałeś” meteora.
Zjawisko, na którym złapał się meteor należy nadesłać do Pracowni Komet i Meteorów. Tam zdjęcie jest odpowiednio obrabiane. Liczona jest jasność oraz określana przynależność, a następnie wyszukiwane są bazówki, czyli ten sam meteor złapany z innej miejscowości.
Oprócz fotografii szerokimi obiektywami używa się też taki z zakresu 25-50mm z nałożonymi siatkami dyfrakcyjnymi, które pozwalają złapać widmo. Jednak aby tak się stało bolid musi być bardzo jasny. Przynajmniej -6magnitudo (załącznik nr4 – widmo bolidu z 2/3 Sierpnia 2010roku).
Ostatnim sposobem obserwacji, jaki opisany zostanie w tym referacie są obserwacje radiowe.
Lecący z dużą prędkością (nawet do 70km/s) meteor powoduje silne rozgrzanie powietrza na skutek tarcia, a tym samym jego jonizacje, oraz parowanie samego meteoru. Ślad ma kilka cm średnicy i kilkadziesiąt km długości, i powstaje w ułamkach sekund. Świecenie zjonizowanego powietrza obserwują właśnie obserwatorzy wizualni. Taki zjonizowany gaz, oprócz świecenia, jest również dość dobrym przewodnikiem – plazmą. Plazma, zależnie od stopnia zjonizowania (czyli ilości elektronów/jonów w jednostce objętości) może lepiej lub gorzej odbijać promieniowanie radiowe. Ślady bardzo zjonizowane (nasycone, od dużych meteorów) odbijają promieniowanie prawie jak powierzchnia metalowa, te słabsze (nienasycone, od mniejszych) raczej rozpraszają fale radiową. Po kilkuset ms lub kilku sekundach ślad, w wyniku dyfuzji i rekombinacji, ulega rozproszeniu, i jego gęstość maleje, aż przestaje odbijać (rozpraszać) promieniowanie. Im bardziej zjonizowany ślad, tym większa górna częstotliwość, którą może on odbić, w czasie rozmywania się śladu częstotliwość maksymalna więc maleje. Skutkuje to tym, że na wysokich częstościach widać jedynie zjawiska duże, a im częstotliwości niższe tym ilość drobnych zjawisk rośnie
Właśnie tę możliwość odbijania (rozpraszania fal) wykorzystujemy do rejestracji meteorów. Źródłem fali elektromagnetycznej mogą być odległe nadajniki radiowe UKF, radiolatarnie lotnicze i krótkofalarskie (tzw.Beacony), nadajniki TV i inne, możliwie stale nadające źródła sygnału, najlepiej z okolic zakresu UKF. Fala radiowa, pochodząca od nadajnika znajdującego się od kilkuset do dwóch tysięcy kilometrów, w normalnych warunkach nie dociera do odbiornika – nadajnik względem odbiornika znajduje się daleko pod horyzontem. Odbicie fali elektromagnetycznej od śladu meteora. Sytuacja zmienia się, gdy przeleci meteor, wtedy fala ulega odbiciu i trafia do odbiornika. Proste zliczenie ilości odbić w ciągu okresu czasu da nam bieżącą aktywność, analiza siły odbitego sygnału, czasu trwania i jego zaniku powie o wielkości (a czasem też wysokości i prędkości) meteorów, które wpadają w atmosfere. Dokładniej, parametry odbieranego sygnału zależą od konfiguracji Nadajnik – Meteor – Odbiornik, i ich wyliczenie jest trudne. W skrócie, najwięcej zjawisk rejestruje się gdy tor meteoru jest równoległy do lini łączącyh nadajnik i odbiornik. Obserwacje meteorów najprościej prowadzić na zakresie UKF. W Polsce i Europie jest to zakres od87.5MHz do 108.0MHz (CCIR), w krajach byłego bloku radzieckiego również 65.5-74.0MHz (OIRT). Dla zakresu CCIR jest dostępnych dużo odbiorników – jak choćby całkiem niezłe do tego celu samochodowe odbiorniki radiowe. Dla zakresu OIRT trzeba już posiadać albo stary, nieprzestrojony tuner UKF (np. wyśmienite tunery DIORY) lub bardziej specjalistyczne odbiorniki – krótkofalarskie,skanery. Odbiorniki samochodowe na pasmo OIRT raczej nie są spotykane. Dla szczęśliwych posiadaczy sprzętu krótkofalarskiego lub choćby skanera z pasmem UKF, otwiera się dodatkowo możliwość nasłuchiwania sygnałów telewizyjnych – a konkretnie nośnych sygnału wizyjnego (VHF do 95MHz). Najważniejsze jest, aby odbiornik pokrywał odpowiednie pasmo, miał cyfrowy odczyt częstotliwości i gniazdo do zewnętrznej anteny – odpadają więc różnego rodzaju „jamniki” czy marnej jakości wieże. Antena zewnętrzna jest niezbędna aby zwiększyć czułość, odsunąć się od zakłóceń generowanych przez komputer i sprzęt domowy. Test jakości odbiornika (odporności na silne sygnały) przeprowadzamy w prosty sposób – odłączamy antenę z gniazda antenowego, i wszystkie odbierane stacje powinny zginąć w szumie – ewentualnie może być słychać te najsilniejsze, a i te w szumach. Jeśli jest inaczej, to możemy mieć spory problem z zakłóceniami. Można również spróbować użyć (z różnym skutkiem) zbiorczej instalacji antenowej (w blokach) jeżeli takową dysopnujemy, a nawet jeśli bardzo sie uprzemy, anteny w samochodzie lub tej anteny z odbiornika – ale tu już szansa rejestarcji jest nikła.
Schemat prostego systemu do rejestracji meteorów.
Kiedy już dysponujemy odpowiednim odbiornikiem, anteną (i kablem do jej podłączenia), oraz komputerem (choć do samego sprawdzenia nie jest niezbędny), możemy spróbować obserwacji.
Przeszukując skalę w naszym radioodbiorniku wybieramy miejsce, w którym nie słychać (nawet śladu) żadnej stacji i zakłóceń, a z wykazu częstotliwości nadajników wynika, że kilkaset/kilka tyś. kilometrów od nas znajduje się możliwie silny nadajnik (o mocy >25kW). Antenę (jeśli jest kierunkowa np Yagi-Uda) kierujemy w stronę nadajnika. Starajmy się nie wybierać nadajników bliższych niż 300km, bo takie mogą być odbijane przez samoloty, powodując fałszywe rejestracje. Dobrze też jeżeli jesteśmy więcej niż 100-200kHz od najbliższej na skali stacji (im silniejsza tym dalej). Procedure kierowania anteny i częstotliwości powtarzamy aż znajdziemy owe wolne miejsce. Wyjście audio odbiornika możemy podłączyć do wejścia line-in lub mikrofonowego w komputerze i nagrywamy dowolnym programem do rejestracji dźwięku (polecam CoolEdit,WaveLab), lub po prostu słuchamy(załącznik nr5 – zapis przelotu meteora w programie muzycznym). Jeżeli wszystko podłączyliśmy dobrze i czułość zestawu jest wystarczająca, to co jakiś czas powinniśmy usłyszeć wyłaniające się z szumu na ułamki/kilka sekund dzwięki mowy lub muzyki (to, co aktualnie nasłuchiwany nadajnik emituje). Zaobserwowaliśmy odbicie od meteora. To, jak często pojawia się takie odbicie zależy od czułości sprzętu (im czulszy tym więcej zjawisk), oraz od ilości wpadających do atmosfery meteorów. Może to być od kilku do kilkudziesięciu (a czasem kilkuset) na godzinę. Rejestracja na komputerze pozwala na późniejszą analizę, lub po prostu odsłuchanie tego co się nagrało podczas naszej nieobecności lub snu. Dokładna jakość nagrywania nie jest szczególnie istotna, choć dobrze żeby częstotliwość próbkowania była większa niż 8kHz – można nagrywać do formatu mp3, uzyska się dużą oszczędność miejsca. Najwięcej meteorów jest rano (choć to zależy od ukierunkowania anteny), w drugiej połowie roku, oraz podczas silnych rojów (np. słynne Perseidy).
Kiedy już jesteśmy pewni, że nasz zestaw działa i rejestruje meteory, można przeprowadzić dłuższa i bardziej wartościową z naukowego punktu widzenia obserwacje. Zamiast słuchać lub nagrywać sygnał na komputer, można użyć napisanego specjalnie do rejestracji meteorów oprogramowania, np programu Meteorek, który automatycznie zlicza i prezentuje aktywność w danym momencie.
A więc reasumując. Mimo dynamicznie rozwijającej się technologii. Mimo dużej ilości satelitów latających nad naszymi głowami człowiek ciągle przy niedużym wydatku może przyczynić się do rozwoju astronomii. Wystarczy tylko odrobina chęci i systematyczność a proste obserwacje mogę dać początek nowym odkryciom w dziedzinie meteorytyki.
Powyższy tekst jest pracą konkursową, która w 2012 zdobyła IV miejsce na Ogólnopolskim Młodzieżowym Seminarium Astronomicznym.