I.I.S.S. G. MARCONI piazza Poerio 2 - BARI PRPGETTO EduSAT Missioni e carichi utili per i satelliti artificiali: Il Payload Seconda Parte 1
I SATELLITI METEOROLOGICI L applicazione meteorologica è un particolare caso di osservazione della Terra, mirata soprattutto all osservazione dei fenomeni che determinano il tempo ed il clima sul nostro pianeta. Il carico utile di questo genere di satelliti utilizza normalmente dei sensori ottici che operano nello spettro della luce visibile e dell infrarosso. Satelliti in orbita GEOSTAZIONARIA (METEOSAT): Ci riferiamo alla famiglia dei satelliti europei Meteosat di seconda generazione MSG, sviluppati dall Agenzia Spaziale Europea (ESA) e gestiti dalla società europea EUMETSAT. Il satellite MSG, di forma cilindrica, è stabilizzato per spin e ruota alla velocità di 100 giri al minuto. L asse di rotazione, diretto da sud a nord, è perpendicolare al piano orbitale che contiene l equatore. Satelliti in orbita BASSA POLARE (NOOA): Prenderemo ad esempio la famiglia dei satelliti NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) americani, sia perché il loro segnale in banda VHF, che trasmette immagini a bassa risoluzione, può essere ricevuto con apparecchiature a basso costo accessibili anche ad un amatore, sia perché è in atto una collaborazione tra l agenzia NOAA e l europea EUMETSAT per la piattaforma meteorologica in orbita polare denominata METOP. 2
I SATELLITI METEOROLOGICI Lo strumento di osservazione è un radiometro a scansione, battezzato SEVIRI, acronimo che tradotto in italiano significa Radiometro avanzato a spin nel visibile ed infrarosso, una sorta di telescopio dotato di un sensore multi banda, che acquisisce le immagini a somiglianza di una telecamera, cioè componendo un intero quadro riga per riga. La scansione di ogni riga viene effettuata sfruttando lo spin del satellite; l avanzamento da una riga alla successiva, in direzione Sud-Nord, avviene mediante uno specchio che viene fatto ruotare passo a passo, variando la sua posizione angolare. La scansione di un intera immagine del disco terrestre comprende 1250 linee, ognuna delle quali copre una larghezza a terra di 9 Km. Il tempo richiesto per ogni scansione completa è di 12 minuti e mezzo. Aggiungendo il cosiddetto tempo di rintraccia di circa 2 minuti, necessario per riportare lo specchio alla posizione iniziale, si ottiene una immagine completa all incirca ogni 15 minuti. Vogliamo ancora ricordare che da 36.000 Km di altezza si vede approssimativamente un terzo della superficie terrestre, e quindi la copertura del satellite MSG include non solo l Europa ma anche l Africa, il Medio Oriente e l Oceano Atlantico Meridionale. Le caratteristiche fisiche dello strumento SEVIRI sono in sintesi le seguenti: - Tre bande spettrali nel visibile e una nell infrarosso vicino, complessivamente da 0,4 a 1,6 micron di lunghezza d onda. 3
- Otto bande spettrali nell infrarosso, da 3,9 a 13,4 micron di lunghezza d onda. Le bande nel visibile forniscono immagini delle nuvole e della superficie terrestre durante il giorno. La banda nell infrarosso vicino serve a distinguere le nuvole dalla neve e le nuvole di ghiaccio da quelle di gocce d acqua. Le altre bande nell infrarosso permettono di determinare la quantità, la temperatura e la distribuzione del vapor acqueo nell atmosfera, la temperatura del terreno e l andamento dei venti. Un canale infrarosso è utilizzato per rivelare la nebbia notturna. SEVIRI è progettato per fornire 245.000 immagini durante una vita utile di 7 anni, ha una massa di 260 Kg, è alto 2,43 metri e ha un diametro di 1 metro. SEVIRI assorbe 150 W e trasmette dati ad una velocità di 3,26 Mbit/s. I SATELLITI METEOROLOGICI NOAA Le trasmissioni dei dati dei NOAA verso terra avvengono in due modalità: - APT (Automatic Picture Transmission), a bassa risoluzione, nella banda VHF alla frequenza di 138 MHz; - HRPT (High Revolution Picture Transmission ), ad alta risoluzione, nella banda S. I satelliti NOAA in orbita polare svolgono anche funzioni di ponte radio per ritrasmettere alle stazioni terrestri segnali di richiesta di soccorso da aree remote e di centro di raccolta dati per la ritrasmissione ad un centro meteorologico terrestre dei dati raccolti da sensori meteo a terra. Il carico utile di un satellite NOAA comprende: - Un radiometro ad alta risoluzione a 6 canali nel visibile e nell infrarosso, da 0,58 a 12,5 micron di lunghezza d onda, per la misura della copertura nuvolosa, della temperatura del mare, del ghiaccio, della neve e della copertura della vegetazione. Lo strumento ha una risoluzione massima di 1,1 Km. 4
- Una sonda atmosferica all infrarosso ad alta risoluzione con un canale nel visibile e 19 canali nell infrarosso, da 3,8 a 15 micron di lunghezza d onda, per misurare la temperatura e l umidità atmosferica, la temperatura a terra e la quantità totale di ozono nell atmosfera. Lo strumento ha una risoluzione massima di 10 Km. - Una sonda a microonde, per misurare la temperatura e l umidità atmosferica in condizioni copertura nuvolosa totale: opera su 15 canali a frequenze comprese tra 23 e 90 GHz ed ha una risoluzione massima di 45 Km. - Uno spettrometro multicanale per la misura del flusso degli elettroni e protoni di origine solare e cosmica. Inoltre, come abbiamo già detto, i satelliti NOAA hanno a bordo dei ricetrasmettitori radio e precisamente: - Un ricevitore UHF, che opera alla frequenza di 401,65 MHz, per ricevere segnali da piattaforme meteorologiche remote basate a terra; - Un trasponditore VHF/UHF che riceve segnali di richiesta di soccorso alle frequenze VHF di 121,5MHz, 243 MHz, 406,5 MHz e li ritrasmette a terra alla frequenza di L1 di 1544,5 MHz. I SATELLITI PER LA NAVIGAZIONE I satelliti per la navigazione Un satellite GPS Il sistema oggi in uso nei paesi occidentali è l americano GPS (Global Positioning System) che in italiano si traduce con Sistema di Posizionamento Globale. Il sistema GPS, il cui nome completo è NAVSTAR GPS, è finalizzato e gestito dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti, che normalmente ne autorizza l impiego anche per scopi civili, ma potrebbe, in periodi di crisi 5
internazionale, limitarne l impiego ai soli scopi militari mediante tecniche di crittografia del segnale. Il sistema europeo Galileo, dalle caratteristiche più avanzate, è in fase di sviluppo ed è previsto che sia pienamente operativo nel 2013. Ambedue i sistemi funzionano sostanzialmente secondo lo stesso principio. I SATELLITI PER LA NAVIGAZIONE - GPS Il sistema GPS è costituito da tre componenti: 1. la componente spaziale (31 satelliti); 2. la componente terrestre (stazioni di controllo); 3. la componente utente (navigatore satellitare). La componente spaziale è costituita da 24 satelliti + 7, ridondanti, per evitare che il sistema possa andare in avaria. Le orbite sono organizzate in maniera tale che un punto sulla terra veda almeno 6 satelliti. Ogni satellite è dotato di 4 orologi atomici con la precisione +/-1sec ogni milione di anni. La componente terrestre riceve dal satellite: il tempo di bordo, il suo numero identificativo, la sua posizione nello spazio, la posizione approssimata degli altri satelliti operativi. la componente utente è costituita dal navigatore satellitare in dotazione all utente, che trovandosi sulle tre sfere teoriche aventi raggio pari alla distanza di tre satelliti, tramite trilaterazione, fornirà i dati necessari ad individuare le coordinate geografiche. Un quarto satellite servirà a sincronizzare gli orologi del GPS con i più precisi orologi satellitari pena errori di rilevamento. (Precisione 30 m). 6
I SATELLITI SCIENTIFICI La missione e gli strumenti di un satellite scientifico: Hubble Space Telescope Data la grande varietà di satelliti e veicoli spaziali scientifici lanciati in 50 anni di attività spaziali, descriverli tutti anche in modo sommario e impossibile. Tra tanti ne abbiamo scelto uno particolarmente significativo, sia dal punto di vista delle dimensioni fisiche che dei risultati ottenuti per la comunità scientifica: HST, Hubble Space Telescope, in italiano Telescopio Spaziale Hubble, della NASA. Che cos è Hubble Space Telescope e quali strumenti trasporta Hubble Space Telescope, immesso in orbita il 24 aprile 1990 tramite lo Space Shuttle Discovery, è un grande telescopio che permette di osservare il sistema solare e l Universo senza il velo dell atmosfera, ottenendo immagini straordinarie mai viste prima dall uomo. Hubble, così battezzato in memoria dell astronomo americano Edwin Hubble, ha una forma cilindrica (esclusi i pannelli solari) con un diametro di 4,3 m,una lunghezza di 13 m e un peso totale di 11 tonnellate. L orbita ad un altitudine di 575 Km, viene percorsa in 97 minuti. La limitata altitudine orbitale permette ad astronauti trasportati dallo Space Shuttle, ed operanti in Attività Extraveicolare, di effettuare operazioni periodiche di manutenzione del satellite e delle sue apparecchiature. L ultima missione di manutenzione ed aggiornamento è stata effettuata nel maggio 2009 tramite lo Space Shuttle Atlantis. Hubble è dotato di un sistema di stabilizzazione a tre assi che gli permette un puntamento molto preciso sugli oggetti da osservare : per fare un paragone terrestre, la precisione corrisponde a quella 7
che sarebbe richiesta per illuminare da Roma con un raggio laser una moneta da 20 centesimi situata a Milano senza che il raggio di luce uscisse dal perimetro della moneta. Lo strumento principale è il telescopio a riflessione, dotato di uno specchio principale di 2,4 metri di diametro e di uno specchio secondario di 30 centimetri di diametro. Nel piano focale dello specchio sono situati gli strumenti scientifici che esaminano e registrano le radiazioni luminose, ultraviolette ed infrarosse raccolte dal telescopio. Gli altri strumenti di Hubble Space Telescope sono: - Un sistema di tre macchine fotografiche elettroniche, installate nel 2002, capaci di registrare immagini a partire dalle radiazioni ultraviolette fino al vicino infrarosso; - Un sistema ottico aggiuntivo, usato per correggere le aberrazioni riscontrate nello specchio principale, ed installato nel 1993 durante la prima missione di manutenzione; - Uno spettrografo ultravioletto ottimizzato per osservare sorgenti luminose puntiformi deboli; - Uno spettrometro sensibile alle radiazioni infrarosse, per vedere attraverso i gas e le polveri interstellari; - Uno spettrografo che, a somiglianza di un prisma di vetro, divide la luce in quattro bande spettrali, in questo caso, per inviarle a rivelatori elettronici dedicati; - Una macchina fotografica grandangolare, che ha scattato fino ad ora la maggioranza delle immagini che hanno reso famoso il Telescopio Spaziale Hubble. 8
I SATELLITI SCIENTIFICI Lo spettrografo è uno spettroscopio che trasforma la luce in uno spettro a seconda della sua frequenza. Il suo uso è frequente soprattutto in astronomia. Lo strumento utilizza diverse tecniche di registrazione e visualizzazione. Tradizionalmente, i colori che compongono lo spettro venivano rappresentati da una lastra fotografica che registrava lo spettro, permettendone uno studio molto accurato e dettagliato (spettrogramma). La classificazione stellare, la scoperta della sequenza principale, la legge e la sequenza di Hubble sono tutti risultati raggiunti grazie all'utilizzo di spettrografi accoppiati a lastre fotografiche. Il Telescopio Spaziale James Webb (programmato per essere messo in orbita nel 2013, quando prenderà il posto del Telescopio Spaziale Hubble) avrà a bordo, fra gli altri strumenti scientifici, due spettrografi: uno, chiamato NIRSpec, ottimizzato per gli studi nel vicino infrarosso, l'altro (MIRI) ottimizzato per gli studi nel medio infrarosso. Lo spettroscopio è uno strumento usato in chimica e fisica per l'osservazione e l'analisi della radiazione Elettromagnetica emessa da una sorgente. Può essere a prisma, se utilizza un prisma ottico, o a reticolo, se viene usato un reticolo di diffrazione. Il suo potere risolutivo è dato dal rapporto: λ\ λ dove λ è la lunghezza d'onda e λ è la differenza fra le due più vicine lunghezze d'onda che si riescono a risolvere. 9
APPENDICE ONDE ELETTROMAGNETICHE e RADIO FREQUENZA Propagazione dell Onda Radio SPETTRO DELLE RADIOFREQUENZE 10
La gamma delle Onde Radio è convenzionalmente suddivisa nelle seguenti bande: Banda Frequenza Lunghezza d'onda Principali impieghi ELF (Extremely low < 3 Hz > 100.000 km 3 30 Hz 100.000 km 10.000 km SLF (Super low 30 300 Hz 10.000 km 1.000 km ULF (Ultra low 300 3000 Hz 1.000 km 100 km VLF (Very low 3 30 khz 100 km 10 km LF (Low MF (Medium HF (High 30 300 khz 10 km 1 km Comunicazione radio con i sottomarini, ispezione tubazioni, studio del campo magnetico terrestre Comunicazione con i sottomarini, per es. la radio russa ZEVS utilizzate per le comunicazioni in miniera Marina, comunicazione con sommergibili in emersione Trasmissioni radio intercontinentali in AM, trasmissione del segnale di tempo standard per gli orologi radiocontrollati. 300 3000 khz 1 km 100 m Trasmissioni radio in AM 3 30 MHz VHF (Very high 30 300 MHz 10 m 1 m UHF (Ultra high 300 3000 MHz 100 m 10 m (Onde corte) 1 m 100 mm Radioamatori, Banda cittadina, trasmissioni intercontinentali in codice Morse Radio commerciali in FM, Aviazione, Marina, Forze dell'ordine, Televisione, Radioamatori, Radiofari Radio PMR, Televisione, Telefonia cellulare, WLAN SHF (Super high 3 30 GHz 100 mm 10 mm Radar, Satelliti, WLAN EHF (Extremely high 30 300 GHz 10 mm 1 mm Trasmissioni satellitari e radioamatoriali Le onde radio o radioonde sono le radiazioni elettromagnetiche di frequenza compresa tra zero e 300 GHz ovvero con lunghezza d'onda da 1 mm all'infinito. Il limite di frequenza inferiore è necessariamente asintotico poiché per definizione non possono esistere onde elettromagnetiche senza variazione di campo (cioè a frequenza zero). 11
La quantità di informazione che può essere trasportata da un segnale radio (vedi modulazione) è proporzionale alla sua frequenza, per questo le frequenze minime usate nella radiotecnica per trasmettere la voce partono da qualche decina di kilohertz (KHz). Sebbene questa regione dello spettro elettromagnetico sia di piccole dimensioni rispetto alle altre (ultravioletto, infrarosso, Raggi X ecc) è storicamente la più utilizzata per le comunicazioni radio. Questo è avvenuto principalmente perché le onde di bassa frequenza sono facilmente generabili con dispositivi elettrici alla portata della fisica della fine del XIX secolo (oscillatori, antenne, rivelatori a risonanza) e quindi disponibili ai tempi di Heinrich Rudolf Hertz, Guglielmo Marconi e Nikola Tesla. Un altro vantaggio delle maggiori lunghezze d'onda è di propagarsi per riflessione ionosferica a distanze intercontinentali, sicuramente interessante in un'epoca in cui non esistevano ponti radio e satelliti per telecomunicazione. Per concludere questo breve escursus ecco una immagine del NOAA 17 ricevuta nel corso del Primo Modulo EduSAT realizzato nell a.s. 2009/2010. 12