流星電波觀測入門
原著:鈴木和博.日文翻編:曹永杰
著者:日本資深流星研究者.為日本流星研究協會會員.日本重要流星無線電站愛知縣豐川觀測站站長
編翻:專長為儀器系統軟體控制,天文觀測及攝影資深同好.台灣桃園縣龍潭業餘流星觀測站站長
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前言:
鈴木先生也是我HRO觀測啟蒙老師之一,他是首先灌輸日本HRO觀念給我的人,再此謝謝他了...編者去年(1998年)的獅子座流星雨的新聞是年底的日本高中生選出的十大新聞中,排行前幾位.足見大家對流星雨的關心....我是一位持教於高中地球科學的教師,在地科教學中活動中,獅子座流星群的極大期時間18日,我學校天文社有許多學生要在當日觀測.預測獅子座流星雨極大期是在18日,但實際的極大期卻是提早一日,發生在17日上午日本時間10點(台灣當地為早上9點).如圖1所示.這段時間是在白天發生流星雨現象.肉眼和光學觀測是看不到的....在日本唯一能夠觀測的僅是無線電觀測.因為無線電觀測無論是白天或晚上均能精確觀測流星雨數量的變化.而今年(1999年)獅子座的流星雨的極大期無線電觀測就非常重要.許多日本的流星雨無線電同好已經開始準備....去年預測錯誤的教訓一定會深深知曉....
流星造成大氣層的局部電離化:
彗星在經過軌道的過程中,遇到太陽風壓的吹襲中, 遺留在軌道中的塵埃顆粒中,一般僅有數克質量.而這些顆粒遇到地球引力而掉落大氣層中速度約在40公里/秒,在此速度下和大氣分子產生磨擦.於是空氣分子產生電離(產生自由電子脫離空氣分子)現象.於是就造成在特定條件下,可以反射高頻的無線電波.此反射層的產生約距離地球地面100公里以上的高空.其實在100公里以上的高空,因太陽的紫外線等高能量射線下,均有許多自由電子的產生存在於這些大氣中(即電離層),使得無線電的短波頻帶(HF帶,3-30MHz)可以在電離層中反射而傳導資訊.若自由電子的濃度突然再激增,就可以傳導更高頻的超短波無線電(VHF頻帶.30-300MHz).我們利用發射方式向天空發射超短波無線電,通常無自由電子激增的大氣會使這些電波直接穿透至太空.但是在距地100公里左右的高空若有流星落下,產生足夠的電離濃度.就會使此高頻的無線電反射至地面.在計算其反射角度下的適當接收站就會接收到此無線電訊.此為計算流星回音(Echo)訊號在每小時計數(HR)的原理.
日本流星電波觀測歷史:
自第二次大戰以後,美國,歐洲及前蘇聯等國家對於利用高功率雷達探測流星活動非常盛行.而近年來,日本的國立京都大學超高層電波研究中心利用高功率MU雷達也取得許多研究成果.MU雷達為水平式高功率天線,可以發射46.5MHz,功率達1MW(百萬瓦).可發射後立刻接收同時間流星的Echo訊號.對於高空層的眾多流星研究有許多貢獻.1970年以後,利用FM遠方電台的反射訊號接收非常流行.FM電波播放(日本電台頻率在76-90MHz)為超短波帶,所以播放範圍若超過數百公里以外就非常困難.但有時候也會瞬間聽到遠方電台的傳播.這是因為濃厚的電離層(編者:E層)將超短波的FM反射至地面或流星反射的原因.此方式可以選擇較多的電台作信號源,但近年日本由於電台過密的情況嚴重,此方法已經很難觀測了(編者:終於和台灣一樣了...).
最新的觀測法 HRO
自1996年開始,福井工業高等專門學校(編者:國立福井工業專科學校)電子資訊科的前川公男先生(也是京都大學超高層研究中心中村卓司博士的研究助理),開始在其校內發射53.750MHz的CW示標(Beacon)電波,功率為50瓦(24小時發射).其電台正式呼號為 JA9YDB此方式是利用火腿無線電通訊方式做為流星觀測.所以又稱為HRO(Ham radio observation)HRO現已是全世界的最重要的共同觀測方式.此BEACON電台自今已經3年了,其間僅5天因故停止發射,所以是個相當穩定的50MHz示標台.在此也非常感謝前川先生的熱心幫忙.現在前川先生也從事太空航空的研究工作,人正在南極昭和基地內和一位堤雅基先生(取得極地流星電波觀測學位)作高空電波傳導研究,平常以e-mail和我們傳送訊息...
HRO的實際需要:
1)發射電台:
HRO的發射電台因素和電波型態是讀者們需要瞭解的,以日本而言,必需距離福井縣100公里以上的新設站者才可以使用此電台做為發射電波源.如果最遠為北海道附近(距離1000公里左右).現在日本全國約有10個觀測站常態監視流星群的活動.如果接收福井縣福井工專Beacon電台困難的話(如距離福井100公里內的地區),可以接收九州,宮崎市內的縣立宮崎大學業餘無線電社的示標電台(呼號為JA6YBR,龍潭站現以此示標台為無線電源.但接收為特殊USB mode 50.0169MHz.和cw錯開,不易受cw干擾).頻率為50.0175MHz cw mode方式傳送.屬於國際業餘無線電示標台標準頻率帶內(編者:國際無線電示標台範圍為50.00-50.10MHz).
但由於季節性E層的異常傳導(編者:為E層突發現象.即 E layer sporadic),會影響流星echo的接收,但比起 FM方式觀測的干擾要好多了....由於福井工專和宮崎大學均使用50MHz帶的頻率,所以50MHz觀測流星,已經是世界性的潮流.FM觀測已經因電波環境日漸惡化而日漸示微...現在全日本的流星電波觀測站均接收福井工專及宮崎大學的示標台為主,所以日本第一考慮是福井,第二是宮崎.
2)接收機:
如果是HRO方式觀測,對於業餘無線電的知識及資金的花費必要有所認識.如此能才能對觀測所需器材有所正確選擇.如日本Alinco公司的DJ-X10全頻接收機(定價日被幣54,800元),一般無線電販售店為40,000元左右.但二手機大約20,000元.使用為鎳鎘電池可以重復使用.實驗時使用Alkaline電池可維持10小時以上.此機種是純接收機,無法作射頻發射電波.如果日後要發射波如此則需業餘無線電執照(編者:國內最好取得4等基地電台執照,才有國際公認的電台呼號.在國際無線電界間,無政府給予呼號是不被承認的.因為使用50MHz天線太大,如果有人檢舉也很麻煩.如何考照請去電交通部電信總局.否則無照處罰10萬元以上,50萬元以下),如我本人使用Icom IC575及 IC-706MKII機種(編者:此機種國內要有機器認證及2等BV無線電執照).
3).天線:
50MHz天線在國內賣店中,均為較高價位天線.但有一種2元件HB八木天線價格便宜,同時性能優異.也不佔空間.此天線價位在1萬日元以下.(編者:此天線雖便宜,但國內甚少進口,也因台灣距離日本九州在1000公里以上,需要較高增益...建議使用4元件天線.價格日幣在19,000元左右).購買時一定要和無線電販店說明接收機的接頭(一般為BNC接頭),天線的信號線(5D2V)長度為10公尺左右,越長容易降低感度.所以盡量不要太長...天線的安裝依說明書安裝後,若接收電台對發射源距離在200-300公里以內,天線要朝天頂.若長於此距離則為水平方式對著發射電台.(編者:此方式當然適合台灣.在台灣先要計算距離宮崎大學距離後,依一次傳導反射點高度計算天線仰角即可.龍潭觀測站為水平方位225度.仰角7度.距離約1,125公里).
4)計錄裝置:
我自己的記錄方式是以錄音方式進行,一般是以接收機的audio輸出為信號輸出,再利用長時間錄音方式記錄.如現在的最長的v8錄影帶可達9小時(編者:我是不知道台灣有否長長的錄影帶發售?).同時一般錄影機均有液晶顯示錄影資料.
5)流星Echo的接收:
使用HRO方式接收流星訊號,在開始時要習慣流星反射特有的音頻.一般初學者在使用之初會有緊張的現像發生...接收之前,首先檢查天線是否有安裝問題,BNC接頭如在外面是否有防水保護及穩固?接收機操作時,電源檢查.接收模式為CW或USB等.頻率要調整正確.此時要注意的是雖然頻率正確了,但因為遠方電台並產生反射傳導.所以訊號進入接收機後多少都會有音頻失真.如接收頻率為福井的53.7500MHz.但卻有0.8KHz的頻寬,所以多少會在此範圍內變化.所以以有微調頻率(1Hz或10Hz)方式微調至正確的CW或USB音頻以利收聽及錄音.如收到大流星較強的反射訊號是可以聽到清析的CW特有音頻(編者:但一般小或微流星則多為突發單聲"bo"的音響.此點和連續的背景雜音是有所區別的).另外較便宜的接收機並無此高解析微調(Fine Tuning)設備. 此點選購時需注意...接收設備若沒問題,有些非流星的Echo的訊號也要注意:在夏天(中高緯度國家)時,在午後的E層突發傳導現象也要注意,此現像會傳導發射電台電波一段相當長的時間.和流星極短時間反射的電波時間有極大不同.最後一些飛行在對流層的飛機金屬的表面也會反射電波,但由於飛機有其飛行速度,所以音頻會有昇高或降低的音響產生.此點為杜普勒頻率偏移所導至.以上的問題,在晚上和清晨低雜音的背景環境下,會較容易分辨.一般流星均維持在1秒以內,若有數秒的持續時間則通常是有煙痕的火流星所反射的.一般觀測站若安裝無問題,但因每站距離和大氣環境有所不同,所以數據不會有所一致的.在清晨的時間1小時約有10個以上的echo記錄.
6)英仙座流星雨:
流星雨中最有名的流星雨.極大期發生在13日深夜至天亮一段時間.由於極大期時間極為穩定.許多無線電觀測站均會加入此流星雨監測.流星肉眼觀測極為狀觀及具醍醐味...在此所介紹的接收機為手持式,可以在戶外安裝觀測,眼視觀測加上電波觀測更是絕佳搭配...記得20年以前,筆者在戶外觀測英仙座流星雨時,由於也使用 FM監聽遠方電台.在眼視的視野中央突然有顆帶煙的火流星劃過天際.耳邊的FM收音機也馬上傳出FM東京電台的音樂長達1分鐘之久(平常是收不到),當場直覺不可思議的心情至今依然無法忘懷!因為英仙座的流星雨多為速度快且明亮的大流星出現.所以不論是眼視或無線電觀測都會是豐收的觀測.
7).此次的獅子座流星雨:
今年最受注目的獅子座流星雨由於去年預期的極大期並未出現大流星雨,所以今年要確定長時間觀測計劃.11月17日-19日3天的連續觀測是監測極大期出現的重要時刻.但是由於獅子座流星雨的輻射點是在晚上23時到下午的13時止(編者:台灣為晚上22時至中午止).所以有一大半的時間非得靠無線電觀測不可.所以學校的天文社活動要考慮此點. 但HRO則無此問題.只要在山上選個雜音少的地點,架設天線即可連續觀測.(編者:下雨天也不怕!可謂天下超級無敵流星觀測...HRO真幸福!不過打雷,附近又沒有比你天線更高的金屬物的話,就要趕快拔線拆機加上趕快跑離,躲入車內或水泥建物內.....切記!!!!! )
8).正式的流星電波:
使用音頻頻譜系統HRO觀測可以用將影像用電腦儲存,另外此方式可參考由亞東天文學會的會訊雜誌"天界"(Vol 79.no 881.P22-31)利用業餘無線電作流星電波觀測解說,由前川先生作更詳盡解說.(有興趣購買為500元日幣.洽東亞天文學會)另外先前所說的MU雷達方面,因京都大學的電波觀測為AM方式, 但觀測原理和HRO是一樣的.(有興趣者可進入網站http://www.kurasc.kyotou.ac.jp...u/muope.html)可以知道其MU運轉情況及現況.利用和MU雷達方式.使用更高功率作流星觀測可得到更多微流星的資料,此方式是可期待和試驗的....
原著者:鈴木和博 e-mail: kazuhiro@suzuki.or.jp