IARA - Italian Amateur Radio Astronomy

Campo di Ricerca ATMOSFERA

(Gino Di Ruberto, novembre 2019)
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Indice
1. Introduzione
2. I segnali naturali in banda VLF prodotti dal nostro pianeta
3. Antenne VLF
4. Computer e scheda audio
4.1. Come usare il software Spectrum Lab; collegarsi in streaming ad antenne VLF remote per ricevere i segnali naturali del nostro pianeta
4.1.1. 1ª parte - Iniziare ad analizzare un file o un segnale audio
4.1.2. 2ª parte - Impostazioni
5. Proteggere la scheda audio
6. Documentazione sulle VLF
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1. Introduzione:

Com'è noto, lo spettro delle onde radio è suddiviso in bande:
https://it.wikipedia.org/wiki/Banda_radio#Designazione_ITU 
e, in particolare, la banda VLF includele frequ enze comprese tra 3 e 30 kHz, 
corrispondenti a lunghezze d'onda comprese tra 100 km e 10 km.
La banda VLF ospita tantissimi segnali radio prodotti dall'uomo, tra cui ricordiamo: Tuttavia, questa banda ospita altri segnali interessantissimi: i segnali naturali emessi dal nostro pianeta.
Poiché si tratta di segnali elettromagnetici di frequenze molto basse, paragonabili alle frequenze delle onde sonore udibili, se possediamo un'antenna in grado di riceverli e poi convertiamo il segnale raccolto ai morsetti dell'antenna in segnale audio così com'è, ossia senza modificare la sua forma d'onda (a meno di amplificazioni), cioè senza demodularlo o trasformarlo in qualche modo, allora possiamo ascoltare una serie di suoni molto particolari: questi sono i "suoni della Terra".
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2. I segnali naturali in banda VLF prodotti dal nostro pianeta:

Tra questi segnali naturali ricordiamo:
  • gli "Sferics"
cosa sono:
http://it.wikipedia.org/wiki/Sferic
ascolto:
https://www.youtube.com/watch?v=TgxOqEkFawA
http://www.spaceweather.com/glossary/inspire.html 
  • i "Tweeks"
cosa sono:
http://it.wikipedia.org/wiki/Tweek_%28radio%29
ascolto:
http://www.spaceweather.com/glossary/inspire.html 
  • i "Whistlers"
cosa sono:
http://it.wikipedia.org/wiki/Whistler_%28radio%29
ascolto:
https://www.youtube.com/watch?v=FeuI8AJMIxU
http://www.spaceweather.com/glossary/inspire.html
http://www.vlf.it/davegallery/davegallery_2010w.html 
  • i "Chorus"
ascolto
https://www.youtube.com/watch?v=FQdrcDyYRiQ
http://www.vlf.it/davegallery/davegallery_2010ch.html
che si suddividono in "Aural Chorus" prodotti dalle aurore polari
http://it.wikipedia.org/wiki/Chorus_%28radio%29
e "Dawn Chorus" che si manifestano all'alba
https://it.wikipedia.org/wiki/Dawn_chorus 
  • gli "Hiss"
cosa sono:
https://it.wikipedia.org/wiki/Hiss
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3. Antenne VLF:

Tra le antenne utilizzabili per la ricezione delle VLF, ricordiamo:
  • l'antenna Miniwhip di Roelof Bakker PA0RDT
http://www.radioelementi.it/public/miniwhip[1].pdf
  • l'antenna Maxiwhip progettata dall'Ing. Claudio Re I1RFQ
prima puntata:
http://air-radiorama.blogspot.com/2011/10/la-maxiwhip-rivelata-prima-puntata.html
seconda puntata:
http://air-radiorama.blogspot.com/2011/10/la-maxiwhip-rivelata-seconda-puntata.html
terza puntata:
http://air-radiorama.blogspot.com/2011/11/la-maxiwhip-rivelata-terza-puntata.html
quarta puntata:
http://air-radiorama.blogspot.com/2011/11/la-maxiwhip-rivelata-quarta-puntata.html
quinta puntata:
http://air-radiorama.blogspot.com/2011/11/la-maxiwhip-rivelata-quinta-puntata.html
sesta puntata:
http://air-radiorama.blogspot.com/2011/11/la-maxiwhip-rivelata-sesta-puntata.html
settima puntata:
http://air-radiorama.blogspot.com/2011/12/la-maxiwhip-rivelata-settima-puntata-la.html
ottava puntata:
http://air-radiorama.blogspot.com/2011/12/la-maxiwhip-rivelata-ottava-puntata.html
nona puntata:
http://air-radiorama.blogspot.it/2011/12/la-maxiwhip-rivelata-nona-puntata.html
la Maxiwhip piramidale:
http://air-radiorama.blogspot.com/2011/12/la-maxiwhip-piramidale.html 
  • l'antenna SuperMaxiwhip
prima puntata:
http://air-radiorama.blogspot.it/2012/11/la-supermaxiwhip-prima-puntata.html
seconda puntata:
http://air-radiorama.blogspot.it/2012/11/la-supermaxiwhip-seconda-puntata.html
terza puntata:
http://air-radiorama.blogspot.it/2012/11/la-supermaxiwhip-terza-puntata.html
quarta puntata:
http://air-radiorama.blogspot.it/2012/11/supermaxiwhip-quarta-puntata.html
quinta puntata:
http://air-radiorama.blogspot.it/2012/11/la-supermaxiwhip-quinta-puntata.html
sesta puntata:
http://air-radiorama.blogspot.it/2013/06/la-supermaxiwhip-sesta-puntata.html
settima puntata:
http://air-radiorama.blogspot.it/2013/06/la-supermaxiwhip-settima-puntata.html

(Articoli correlati: oppure, alcuni suggeriscono l'utilizzo di antenne filari molto lunghe. Per esempio, in questa pagina:
http://www.qsl.net/dl4yhf/speclab/vlf_rcvr.htm ,
come antenna, viene proposto l'utilizzo di un'antenna filare di 200 metri.
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4. Computer e scheda audio:

Se l'antenna viene collegata alla linea di ingresso della scheda audio di un computer, è possibile analizzare lo spettrogramma del segnale ricevuto, per esempio mediante il software Spectrum Lab. In più, tale software consente anche di connettersi ad antenne VLF remote; approfondiremo tutto ciò nel paragrafo 4.1.

Un'altra pagina con delle indicazioni su come analizzare il segnale ricevuto con il computer è la seguente:
Using a PC with soundcard as a VLF receiver
http://www.qsl.net/dl4yhf/speclab/vlf_rcvr.htm 

È anche possibile esaminare con il computer il segnale ricevuto solo nel dominio del tempo, realizzando un oscilloscopio virtuale mediante un software tipo Visual Analyser
http://www.sillanumsoft.org/Italiano/
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4.1. Come usare il software Spectrum Lab; collegarsi in streaming ad antenne VLF remote per ricevere i segnali naturali del nostro pianeta

Parliamo del software Spectrum Lab, molto apprezzato e molto usato per svariati scopi:
  • gli audiofili e i musicisti lo utilizzano per studiare le caratteristiche spettrali dei file sonori, oppure dell'audio ambientale ricevuto dal microfono;
  • i radioastofili e i radioamatori lo utilizzano in vari modi; per esempio, collegando un'antenna amplificata o un'antenna filare molto lunga, o comunque un'antenna per le VLF, direttamente alla linea di ingresso della scheda audio di un computer, si possono analizzare le caratteristiche spettrali dei segnali VLF ricevuti dall'antenna: sia quelli naturali prodotti dal nostro pianeta, sia quelli artificiali prodotti da radiosorgenti e dalle attività umane in generale; è possibile anche connettersi ad antenne remote ed è possibile usare questo programma insieme ad altri software per l'SDR;
  • ecc.
Il software Spectrum Lab può essere scaricato, per esempio, da 
http://www.qsl.net/dl4yhf/spectra1.html#download

Ecco come utilizzarne le funzioni basilari:

Una volta lanciato Spectrum Lab, nella prima schermata appare lo spettrogramma a cascata (o "waterfall", proprio come nei software per SDR) del segnale che entra dalla linea di ingresso della scheda audio (se non è stato inserito un jack nella linea di ingresso, tipicamente, si vede lo spettrogramma del segnale in arrivo dal microfono del computer).

4.1.1. 1ª parte - Iniziare ad analizzare un file o un segnale audio

1)
Per iniziare e per interrompere l'analisi del segnale che entra dalla lineadi ingresso della scheda audio:
menù "Start/Stop", "Start Sound Thread" oppure "Stop Sound Thread".

2)
Per iniziare invece l'analisi di un file audio (precedentemente salvato in una cartella):
menù "File", "Audio File & Streams analysis", "Analyse and play file (with DSP)"
e poi specificare il percorso del file da analizzare
IMPORTANTE - 1: Possono essere analizzati solo file WAV e altri tipi particolari di file, non possono essere analizzati file MP3.
IMPORTANTE - 2: Quando si effettua questa operazione, esce una prima finestra in cui si deve specificare il percorso del file audio, poi esce una seconda finestra in cui di solito basta confermare quanto già presente cliccando su "OK", poi esce una terza finestra in cui viene posta una particolare domanda a cui, solitamente, si deve rispondere "No".
IMPORTANTE - 3: Se si apre un file audio e Spectrum Lab è regolato con una bassa frequenza di campionamento, vedere punto 4 pochi righi sotto, rispetto a quella del file audio, allora il file audio sarà ascoltato più lentamente. Per esempio, molti file audio sono campionati a 44100 Hz e l'impostazione iniziale di Spectrum Lab è 11025 Hz, allora i file saranno ascoltati 4 volte più lentamente. Quindi, con molti file audio accade che, prima di poterli ascoltare correttamente durante l'analisi, è necessario cambiare l'impostazione della frequenza di campionamento di Spectrum Lab, come descritto al punto 4.
Per interrompere l'analisi del file audio:
menù "Start/Stop", "Stop Sound Thread".

3)
Per analizzare un flusso audio in streaming, per esempio per collegarsi ad alcune antenne VLF remote:
menù "File", "Audio File & Streams analysis","Analyse and play stream / URL"
e poi immettere l'indirizzo internet (URL).
Ecco alcuni URL che si possono utilizzare
(aggiornati a novembre 2019):
http://78.46.38.217/vlf15.m3u = antenna di Cumiana (TO), Italia
http://78.46.38.217/vlf1.m3u = antenna di Todmorden, Inghilterra
http://78.46.38.217/vlf6.m3u = antenna di Bielefeld, Germania
http://78.46.38.217/vlf34.m3u = antenna di Surfside Beach, South Carolina, Stati Uniti
http://78.46.38.217/vlf35.m3u = antenna di Forest, Virginia, Stati Uniti
http://78.46.38.217/vlf39.m3u = antenna di Heathcote, Victoria, Australia
Molti di questi URL sono indicati a questo indirizzo:
http://abelian.org/vlf/ - dove si trova un elenco di antenne VLF posizionatein diverse località a cui ci si può collegare in streaming; per prelevare l'indirizzo internet da inserire in Spectrum Lab, scelta un'antenna indicata nell'elenco, sulla destra fare click destro su "M3U" e scegliere "Copia indirizzo", ma si può anche semplicemente ascoltare l'audio (direttamente dalla pagina web, senza usare Spectrum Lab) cliccando sull'apposito pulsante "play".
(Un altro indirizzo con un elenco di URL, ma attualmente non aggiornato, è:
http://www.ab9il.net/vlf/ )
Un sito con molte informazioni è anche
http://www.vlf.it/
Per interrompere l'analisi del flusso audio:
menù "Start/Stop", "Stop Sound Thread"
In realtà, prima di collegarsi ad un'antenna VLF remota per ricevere i segnali naturali del nostro pianeta, occorre selezionare una conveniente impostazione: allo scopo, vedere punto 7, pochi righi più sotto.

4.1.2. 2ª parte - Impostazioni

4)
Per cambiare la frequenza di campionamento:
menù "Options", "Audio settings I/O device selection",
così esce una finestra a più schede e si deve andare nella scheda "Audio  I/O",
ora cambiare il valore di "Nominal Sample Rate (in)";
per esempio può convenire cambiare dal valore di 11025 Hz dell'impostazione iniziale (predefinita) al valore di 44100 Hz che è la frequenza di campionamento comunemente utilizzata per molti file audio.

5)
Con l'impostazione iniziale, Spectrum Lab fa vedere solo lo spettro relativo a frequenze fino a 5000 Hz circa. Aumentata la frequenza di campionamento, Spectrum Lab sarà in grado di analizzare anche frequenze più elevate però la scala resta ancora impostata fino a 5000 Hz circa. 
Per aumentare la scala fino alla massima frequenza possibile (si ricorda che essa è pari alla metà della frequenza di campionamento), 
fare click destro esattamente sulla scala delle frequenze (quindi non sul waterfall o sullo spettro) 
e scegliere "Zoom out completely"

6)
Ci si potrà divertire a cambiare quanto si vuole le impostazioni per fare tante prove, perché sarà sempre possibile, in qualunque momento tornare alle impostazioni iniziali (predefinite). Per farlo, 
menù "Quick settings", "Restore all "factory" settings".

7)
Il menù "Quick settings" contiene una serie di impostazioni "già pronte" utili in vari casi particolari: 
alcune sono utili per i musicisti, altre per ascoltare i suoni o i segnali naturali. Provare alcune di esse tanto si potrà tornare, come detto al punto precedente, alle impostazioni iniziali.
In particolare, per i segnali naturali in VLF, 
  • menù "Quick settings", "Natural radio; animal voices",
provare una delle impostazioni "Sferics, ....."
  • oppure, un'altra buona possibilità è
ripristinare le impostazioni predefinite, come indicato al punto 6,
aumentare la frequenza di campionamento di Spectrum Lab a 44100 o 48000 Hz, come indicato al punto 4
aumentare la scala fino alla massima frequenza possibile, come indicato al punto 5

8)

Se si vuole che nello spettrogramma vengano indicate anche le frequenze di alcune famose emittenti VLF, 
menù "Options", "Spectrum display settings", 
così esce una finestra a più schede e si deve andare nella scheda "Spectrum (1)",
poi attivare la casella "Show Radio Station List".
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5. Proteggere la scheda audio:

Una cosa molto importante a cui prestare molta attenzione è che le schede audio sono molto delicate e le sovratensioni indotte dai fenomeni atmosferici, anche ad una certa distanza, sono in grado di danneggiarle. Per esempio, tutte le chiavette SDR hanno la stessa fragilità delle schede audio e, quando noi della Sezione Radioastronomia dell'Unione Astrofili Napoletani abbiamo fatto delle prove con una chiavetta Funcube all'Osservatorio Astronomico di Capodimonte, un giorno essa ci si è rotta proprio per questo motivo.
Ecco allora alcuni suggerimenti per proteggere la scheda audio:

Intanto, come consigli tassativi:

1) 
sempre meglio una scheda audio USB esterna: meglio che si rompa una di queste piuttosto che quella interna al pc; tra l'altro, una con elevatafrequenza di campionamento consentirà di avere uno spettrogramma molto ampio in frequenza (cfr. teorema di Nyquist-Shannon);

2) staccare tutto anche al solo minimo sospetto di un imminente temporale in zona.

Poi, valutiamo alcune possibili precauzioni da prendere....

3) Scaricatori d'antenna tipo l'Hoxin CA-35R o l'MFJ-270?
Sicuramente, male non fanno, con prezzi di soli 20-30 euro e perdite d'inserzione di 0,1 dB, tuttavia hanno una tensione d'innesco di qualche centinaio di volt (350 volt per il CA-35R); insomma da soli proprio non bastano: se consideriamo che l'ingresso microfonico di una scheda audio accetta tensioni fino a 1 volt o poco più, possiamo sicuramente ritenere di non stare tranquilli se tra l'ingresso e l'antenna non ci fosse null'altro

4) Proteggere la schede audio con una sonda optoisolata?
Questo è sicuramente positivo, a patto di prestare attenzione ai prezzi (e a che la sonda presenti una buona linearizzazione). In proposito, una domanda che, a volte, viene posta è la seguente: ha senso risparmiare utilizzando un oscilloscopio virtuale invece di spendere qualche centinaio di euro per un oscilloscopio vero, ma poi spendendo lo stesso per una sonda optoisolata? A ciascuno la propria valutazione in merito.

5) Proteggere la scheda audio con una coppia di diodi in antiparallelo verso massa, 
come descritto nella pagina segnalato più sopra
("Using a PC with soundcard as a VLF receiver ")

6) qui
http://www.alchimieaudio.com/t1006-buffer-x-misure-con-visual-analyser ,
iscrivendosi, si dovrebbe vedere uno schema preso da Nuova Elettronica di un buffer di ingresso progettato appositamente per proteggere una scheda audio dalle sovratensioni.
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6. Documentazione sulle VLF:

Per chi è appassionato di VLF, segnalo 

il libro "Radio Natura"
di Renato Romero, IK1QFK,
Sandit Libri
http://www.sanditlibri.it/radio-natura.html

oppure ecco dei link:
sito interessantissimo
http://www.vlf.it/
curato dallo stesso Renato Romero

Sub 9kHz Amateur Radio
https://sites.google.com/site/sub9khz/

The Inspire Project - Types of VLF Signals
http://theinspireproject.org/default.asp?contentID=17

The Inspire Project - Natural VLF Radio
http://theinspireproject.org/default.asp?contentID=4

http://abelian.org
elenco antenne remote per ricevere le VLF: http://abelian.org/vlf/

Buone sperimentazioni.
--
Gino Di Ruberto, IK8QQM,
Sezione Radioastronomia
Unione Astrofili Napoletani.
L’Atmosfera Terrestre è definita un involucro di aria che circonda la Terra fino ad una quota alla quale sono ancora avvertibili le azioni elettromagnetiche e gravitazionali del nostro pianeta sulle particelle di gas. La scienza che studia le proprietà fisiche dell’atmosfera viene chiamata Aereonomia ed è divisa in varie discipline specializzate: la la Meteorologia, l’Aereologia, l’Elettricità Atmosferica, la Fisica Ionosferica, il Magnetismo Terrestre, la Fisica dei Raggi Cosmici, e l’Ottica Atmosferica. Il termine Aereonomia ebbe origine nel 1932, ma divenne ufficiale nel 1954 con la costituzione dell’Associazione Internazionale di Geomagnetismo ed Aereonomia (I.A.G.A.) come sezione dell’Unione Internazionale di Geofisica e Geodesia (I.U.G.G.) che nel 1951 suddivise l’Atmosfera in denominazioni, basandosi sulla temperatura, di seguito elencati:

La Troposfera è lo strato che inizia dal suolo e si spinge fino ad una quota compresa tra 3 e 12 Km alle altitudini temperate. Nelle zone tropicali sale fino a 17 Km; mentre al di sopra dei poli raggiunge appena i 3 Km. In questo strato più basso dell’Atmosfera, l’aria si muove sia in senso orizzontale, formando i venti, sia in senso verticale. Questo fenomeno causa il rimescolamento dell’aria ed è per questo motivo che lo strato viene chiamato Troposfera, ovvero: Zona dei Rivolgimenti. I movimenti verticali dell’aria provocano la formazione di nubi che danno luogo alle precipitazioni, dovute alla percentuale elevata di umidità dell’aria. Nella Troposfera la temperatura dell’aria decresce con la quota ed il ritmo di diminuzione dipende dalla latitudine e dalla stagione. Al limite superiore della Troposfera la temperatura dell’aria è vicina a -55°C. Un fenomeno spesso ricorrente nella Troposfera viene chiamato Effetto Serra che si genera quando l’umidità dell’aria troposferica e la presenza dell’anidride carbonica non impediscono alla radiazione solare di arrivare al suolo. Per cui, il suolo, riscaldato dal Sole, raggiunge una certa temperatura e può perdere energia irraggiando radiazione infrarossa. Però questa radiazione viene assorbita dal vapore acqueo e dall’anidride carbonica; ed ecco perché l’energia solare, giunta al suolo, ha difficoltà a tornare nello spazio, perchè intrappolata dal vapore acque e l’anidride carbonica, elevando la temperatura sulla Terra. A quanto sin qui riportato, occorre aggiungere il diverso andamento della temperatura in funzione della quota e le inversioni del gradiente verticale di temperatura, nonchè del gas atmosferico. Quindi, una volta determinati i confini di queste regioni, troviamo la Tropopausa che rappresenta lo stato di transazione, oltre il quale cessa il decremento termico e la temperatura è pari a 210°K (circa -63°C). Al di sopra della Tropopausa si estende la Stratosfera.

La Stratosfera è la zona che si estende fino a circa 60 Km di quota, nella quale manca il vapore d’acqua e la temperatura risale da -55°C. Fino a 0°C. Tale inversione ferma la salita delle correnti verticali della Troposfera, consentendo l’isolamento della Stratosfera. Intorno alla quota di 25 Km si trova uno strato in cui l’ossigeno dell’atmosfera è abbastanza denso per assorbire la radiazione ultravioletta del Sole e formare molecole di ozono, che è l’ossigeno triatomico. Va aggiunto che l’ozono è velenoso e, quindi, dannoso per la respirazione, ma non scende al suolo. La sua funzione è quella di assorbire completamente l’abbondante radiazione ultravioletta del Sole in maniera che non raggiunge il suolo dove renderebbe sterile ogni forma di vita. Per cui lo strato di Ozonosfera è una barriera di difesa per la biosfera, cioè lo strato più basso della Troposfera, nel quale sono distribuiti gli organismi viventi. Però la temperatura dell’aria nella Stratosfera non rimane stazionaria, in quanto ad altezze di 30 Km risale raggiungendo i massimi valori tra 50/60 Km. Successivamente la temperatura riprende a diminuire e, ad una quota di 80 Km, raggiunge circa 190°K (-83°C) ma ad altezze superiori ricomincia a crescere estendendosi tra 45/55 Km dove lo stato termico da 210°K della Tropopausa, passa a 273°K (0°C). Al di sopra di questa zona inizia la Mesosfera, nella quale la temperatura torna a decrescere con la quota, raggiungendo un minimo di 190°K (-83°C) ad un’altezza tra 75/85 Km e tale zona viene chiamata Mesopausa. Al di sopra della Mesopausa si estende la Termosfera, detta anche “strato caldo” nella quale si verifica un incremento termico che raggiunge un massimo di 1500°K (1773°C) ad una quota di circa 400/500 Km detta Termopausa. Poi, salendo di quota, fino ai limiti dell’atmosfera, troviamo la Esosfera. Tranne che la parte prossima al suolo, le temperature descritte non sono le ordinarie temperature meteorologiche, misurabili con i normali termometri, bensì temperature definite cinetiche; cioè quelle riscontrabili nella misurazione di densità mediante relazioni fornite dalla teoria cinetica dei gas che può essere spiegata anche con i complessi scambi energetici tra radiazione solare, gas atmosferici, e superficie terrestre nei bassi strati. Secondo l’andamento termico, abbiamo visto la suddivisione dell’Atmosfera,che circonda la Terra. Adesso spostiamo l’argomento sulla sua composizione chimica; cioè sul miscuglio di gas e vapori; distinguendo due zone: l’Omosfera e l’Etereosfera. Pertanto l’Omosfera va dal suolo all’incirca sino alla Mesopausa, per circa 80 Km in cui la composizione dell’atmosfera non varia sensibilmente. Mentre la zona sovrastante l’Etereosfera varia notevolmente nella composizione chimica. Invece dell’Ossigeno e dell’Azoto Molecolare vi è una prevalenza di Ossigeno ed Azoto Atomici sempre più ionizzati fino al confine dell’Etereosfera stessa, dove avremo un miscuglio di elettroni e protoni liberi aventi le caratteristiche della corona solare esterna. L’Etereosfera coincide all’incirca con quella regione dell’alta atmosfera chiamata Ionosfera.
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