The Geminids are a prolific meteor shower caused by the object 3200 Phaethon, which is thought to be an asteroid of the same type as 2 Pallas. This would make the Geminids, together with the Quadrantids, the only major meteor showers not originating from a comet.
The meteors from this shower are much slower (35 km/s) than most other meteor showers, can be seen in December and peak around December 7-17. Let’s see if we can confirm this with our radio observations!
Onderzoek
Context
BRAMS (Belgian RAdio Meteor Stations) is een Belgisch netwerk van radio-ontvangstations die gebruik maken van een 'forward scattering' techniek (voorwaartse verspreiding) om meteoroïden die in de aardatmosfeer vallen te detecteren en te karakteriseren.
Een speciale zender/baken (rode driehoek op de kaart hierboven) bevindt zich in het zuiden van België en straalt naar het zenit (hoogste punt van de hemel) een zuivere sinusgolf met een frequentie van 49,97 MHz en met een totaal vermogen van 150 watt. Deze radiogolf wordt gereflecteerd door het geïoniseerd spoor dat door de meteoroïde wordt achtergelaten wanneer het in de atmosfeer opbrandt. Zo'n 30 ontvangstations (blauwe stippen op de afbeelding hierboven) zijn over heel België verspreid en registreren radiosignalen die door de meteoorsporen gereflecteerd worden (hierna meteoorecho's genoemd). Foto's van de radiozender en de ontvangstantennes (in Ukkel) zijn respectievelijk te zien in de linker/rechter gedeeltes van de bovenstaande afbeelding.
Radiowaarnemingen hebben twee grote voordelen ten opzichte van visuele waarnemingen: 1) de waarnemingen gebeuren continu en zijn niet afhankelijk van weersomstandigheden, en 2) ze zijn gevoelig voor meteoroïden met een kleinere massa die geen zichtbaar licht produceren maar in veel grotere aantallen voorkomen.
Elke dag komt een enorme hoeveelheid gegevens binnen van het BRAMS-netwerk met duizenden meteoorecho's die geregistreerd worden, wat ertoe leidt dat een automatisch detectie-algoritme nodig is. BRAMS-gegevens worden gewoonlijk weergegeven als afbeeldingen (spectrogrammen genoemd, zie definitie hieronder) en automatische detectie-algoritmes trachten specifieke vormen te identificeren die geassocieerd worden met meteoorecho's. Geen van hen kan echter tippen aan het menselijk oog dat nog steeds de beste detector blijft.
Met dit Radio Meteor Zoo project focussen we op meteorenzwermen, die hoofdzakelijk veroorzaakt worden door het stof die kometen op hun baan achterlaten wanneer ze de Zon naderen. De Perseïden die rond 12 augustus voorkomen zijn een bekend voorbeeld van een meteorenzwerm. Tijdens een meteorenzwerm leiden de meteoorecho's tot vele complexe vormen in BRAMS-spectrogrammen, die het gebruik van automatische detectie-algoritmes onbetrouwbaar maakt. Dit is waar Radio Meteor Zoo vrijwilligers in het verhaal komen. Jij kan ons veel helpen door meteoorecho's te identificeren tijdens meteorenzwermen.
Jouw meteoordetecties zullen gebruikt worden om activiteitscurves op te stellen (aantal meteoren per tijdseenheid, moment waarop de activiteit piekt,...), om de massa-index van de meteorenzwerm te schatten (wat een maat is voor hoe de massa van de deeltjes verdeeld is: een hoge index wijst op meer massa in kleinere deeltjes terwijl een lage index wijst op meer massa in grotere deeltjes), om de meteorenfluxen te berekenen, om de trajecten van de meteoroïden te bepalen, gebruik makend van de gegevens van meerdere BRAMS-ontvangstations, ...
Hieronder zijn meer details beschikbaar over meteoroïden, meteorenzwermen, 'forward scattering' van radiogolven en de BRAMS-gegevens.
Wat is een meteoroïde?
Een meteoroïde is een vast object dat door de interplanetaire ruimte reist, met een grootte tussen 30 micrometer en 1 meter (IAU definitie). Meteoroïden reizen rond de Zon op vele verschillende banen met snelheden van ~11 tot ~72 km/s. Soms kruisen hun banen die van de Aarde, dan kunnen ze in onze atmosfeer opbranden. De meeste meteoroïden zijn zeer kleine stofdeeltjes.
Wat is een meteoor?
Een meteoor (of "vallende ster") is het zichtbaar resultaat van een meteoroïde die de aardatmosfeer doorkruist. Het komt typisch voor tussen ~120 en ~80 km hoogte.
Wat is een meteoriet?
Een meteoriet is een vast stuk puin dat de tocht van de meteoroïde door de aardatmosfeer overleefd heeft en tot op de grond terechtkomt. Het is aanzienlijk kleiner dan de originele meteoroïde. Enkel de grote meteoroïden kunnen aanleiding geven tot meteorieten, wat ertoe leidt dat meteorieten relatief zeldzaam zijn.
Meteorenzwerm
De meeste meteoren kunnen op elk moment voorkomen en in elke mogelijk richting. Zij behoren tot wat we de sporadische meteoren noemt. Hun oorsprong is vooral gelinkt aan asteroïden. Het grootste aandeel van meteoren die in de atmosfeer van de Aarde terechtkomen is van deze aard. Er is echter een tweede populatie van meteoren die geassocieerd is met het stof dat een komeet op haar baan achterlaat.
Wanneer een komeet dicht bij de Zon komt, warmt ze op en laat ze stofkorrels vrij op haar baan. Indien de Aarde de baan van deze komeet doorkruist, komt het elk jaar rond dezelfde tijd die wolk stofdeeltjes tegen, wat leidt tot een meteorenzwerm op Aarde.
Dat alle meteoren van een meteorenzwerm vanuit hetzelfde punt in de hemel lijken te ontspringen is te wijten aan een geometrisch effect. Dit punt noemen we de radiant en elke meteorenzwerm wordt vernoemd naar de constellatie waarin de radiant zich situeert. Zo bevindt de radiant van de Perseïden zich in de constellatie Perseus.
Image Credit & Copyright: Darryl Van Gaal
Ionisatiespoor
Wanneer een meteoroïde de atmosfeer van de Aarde binnendringt ontstaat er een ionisatiespoor (bestaande uit ionen en elektronen) langs het traject dat het aflegt. In eerste en goede benadering is dit traject min of meer een rechte lijn.
Voorwaartse verstrooiing van radiogolven
- Dit ionisatiespoor (gele lijn in bovenstaande afbeelding) is gedurende korte tijd in staat om radiogolven te reflecteren (rode lijn) die werden uitgezonden door een zender op de grond.
- Als een ontvanger op dezelfde frequentie is afgestemd als de zender, dan kan het een signaal ontvangen die van een fractie van een seconde tot enkele seconden duurt : dit noemt men een meteoorecho.
- Voorwaartse verstrooiing betekent dat de ontvanger niet op dezelfde locatie als de transmitter staat.
- De duurtijd van een meteoorecho is ruw genomen afhankelijk van de grootte van de meteoroïde : hoe groter de meteoroïde, hoe langer het gereflecteerde signaal duurt.
- De meeste meteoorecho's duren maar een fractie van een seconde.
- De analyse van het signaal kan veel informatie geven over de meteoroïde, zoals zijn massa, snelheid en traject.
BRAMS-gegevens
BRAMS-gegevens worden gewoonlijk weergegeven in de vorm van een spectrogram dat de frequentie-inhoud weergeeft van het ontvangen signaal als een functie van de tijd. Een typische spectrogram is hieronder te zien: de horizontale as is tijd (de duurtijd van het hele spectrogram is vijf minuten), terwijl de verticale as de frequentie weergeeft (over 200 Hz). Rood staat gelijk met een sterk signaal en blauw met een zwak signaal (ruis). De sterkte neemt toe van blauw naar groen, geel en dan rood.
- Het horizontale signaal (de bakenfrequentie genoemd in bovenstaande afbeelding) is het signaal direct afkomstig van de zender. Het spectrogram is zo opgesteld dat het 200 Hz-bereik centraal staat op dit signaal.
- De signalen van lange duur zijn de weerkaatsingen van radiogolven op vliegtuigen.
- De signalen van korte duur zijn zogenaamde "underdense" meteoorecho's. Deze komen meestal als verticale lijnen voor. Dit is te wijten aan zeer kleine stofdeeltjes; zij maken het grootste deel uit van de meteoorecho's die door BRAMS gedetecteerd worden. Sommige meteoorecho's zijn zeer helder, anderen zijn zwak. Merk op dat het signaal uit verschillende delen kan bestaan, maar als het op dezelfde verticale lijn ligt beschouwen we het als eenzelfde meteoorecho.
- "Overdense" meteoorecho's van lange duur worden veroorzaakt door grotere meteoroïden. De moeilijkheid bestaat erin dat hun vorm in spectrogrammen zeer complex en gevarieerd kunnen zijn. Twee bijkomende voorbeelden worden hieronder gegeven om de variatie en complexiteit van de vormen te illustreren. "Overdense" meteoorecho's komen veel voor tijdens meteorenzwermen.
Er zijn enkele bijkomende types signalen die kunnen voorkomen in spectrogrammen :
- Breedbandige interferentie kan voorkomen als een verticale lijn die over het hele 200 Hz-bereik uitstrekt. Dit zijn geen meteoorecho's. Deze worden veroorzaakt door lokale interferentie dicht bij een ontvangststation (vb. signalen geproduceerd door een computer, een elektrische schakelaar, ...of bliksems). Een voorbeeld is hieronder gegeven.
Breedbandige interferenties zijn gewoonlijk van korte duur, maar kunnen soms ook langer duren zoals in het onderstaande voorbeeld. - Vliegtuigen zijn meestal te zien als smalle lijnen met een omgekeerde S-vorm. Het volgende voorbeeld telt 7 vliegtuigen.
Maar soms, bijvoorbeeld wanneer een vliegtuig een plotse bocht maakt, kunnen meer complexe vormen ontstaan.
Een tweede voorbeeld:
Het belang van burgerwetenschappers
BRAMS-gegevens worden elke 5 minuten opgeslagen. Met ongeveer 30 stations in het BRAMS-netwerk komt dit uit op meer dan 8000 spectrogrammen die per dag worden aangemaakt. Dit vereist automatische detectie-algoritmes voor meteoorecho's. Er zijn enkele algoritmes ontwikkeld, maar die ondervinden moeilijkheden om ofwel "underdense" meteoorecho's te identificeren wanneer veel vliegtuigsignalen zich opstapelen, ofwel complexe "overdense" signalen van meteoorecho's te identificeren. Het (getrainde) menselijk oog is nog steeds de beste detector in deze gevallen. Zoals hierboven vermeld, komen er tijdens meteorenzwermen veel "overdense" meteoorecho's voor, en dus vragen we de hulp van de vele ogen van burgerwetenschappers. Uw bijdrage is zeer waardevol!