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发表于 2008-3-22 13:16:46
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流星反射远程通信实验
1.理论说明
U/V HF 为直线进行电波, 传送距离只限于"视线距离", 通常只要离开地平线, 信号就会急剧劣化, 功率再增加, 传送距离也是有限的
任何导电体都具有 "吸收电波" "反射电波" 二种特性, 许多种天线就是利用此点做成, 如八木天线, 碟形天线... 善于利用 "反射体" 就可让电波藉反射作用传到较远处,例如:国际短波通信就是利用高空电离层, 其中散布大量的导电离子, 可以反射某些波段的电波, 藉此传送到数千公里外的远处, 只是, 电离层的结构并不适合 UHF, VHF的波段, 不会使之反射回地面.
所谓 "流星反射" 通讯, 实际上是 "流星余迹反射", 其成因是来自外层空间的一些固状碎片, 平时以很高速度在太空中飞行, 而在接近地球时, 因受地求引力吸引转而掉入地球,此时其速度可高达每秒数十公里, 当进入地求大气层时, 会与大气磨擦, 产生高热, 最后使得此一物体燃烧发光, 气化电离.... 从地面看, 可以看到一道光余迹, 在几分之一秒内就消失掉, 但是在它的通过路线上残留的物质, 也就是 "流星余迹", 主要由气化的流星体其中含有多量的金属, 与其电离的空气组成, 具有反射电波的能力, 仍可维持一段时间, 其时间长短与以下因素有关流星体的材质, 如含有多量金属颗粒, 产生的流星余迹导电性较佳, 但因颗粒较重容易掉落,... 天空中气流的状况, 一般说来流星余迹高度在 50 -- 200 KM 高空, 较低处空气密度大,离子量多, 但也因气流较强容易飘散.... 流星的大小, 其体积越大, 产生的流星余迹自然较长, 较密, 可持续较长时间, 每颗绿豆大的流星可造成数秒钟之传送时间应无问题.再者, 流星的速度越快, 其能量越高, 越能造成周遭空气的解离, 并使得中和时间延长,有时可长达 30 秒以上, 通常下半夜出现的流星, 由于地球面对公转的方向, 流星的速度比上半夜快了 60 KM/S 传送效果最佳
电波反射传送的距离
流星余迹出现的位置越高, 传送的距离越远, 以高度 100km 的流星余迹来说, 通讯距离可达2000 km, 但也要考虑因距离过远而信号衰减, 此时就要加强发射功率, 接收灵敏度,并以指向天线将波束集中至天空.
可用的波段
流星反射通讯并非对所有波段都有效, 这是因流星余迹内的导电离子分布不一, 当不同波长的电波射入后, 会产生不同的偏折角度, 然后, 不同离子产生的反射波又会彼此干涉抵消, 目前多数实验结果, 发现从 20 mhz --- 400 mhz 都有反射现象, 但 30 mhz 以下其效果不如电离层反射, 频率越高则反射现象越少, 所以, 最好的传送波段在 50 mhz, 其次在 144 mhz, 而 220, 430 mhz 就机会少一点, 如遇大型流星的话仍有很好的反射状况.然而, 此中仍有许多变量, 因为流星余迹自产生后离子浓度会由集中, 高密度趋向低浓度, 大面积, 对同一个流星余迹作不同波段反射实验会发现, 各波段的 "持续时间", "最大值",差异很大, 如要找出数值公式, 有赖多方实验及数据之收集整理
* 可用的场合
流星反射通讯自然与流星的出现有关, 那么, 要如何找到可用的流星呢? 流星的数量实在很多, 据估计每天有数以 "亿" 计的大小流星掉入地球, 只可惜绝大部份都是细小微粒,不足造成巨大的流星余迹, 就地面观测者言, 能有效果的, 每小时仅有十数颗的程度...而每颗约能造成数秒至十数秒的通讯环境, 这是否实用? 对 voice 而言这当然不理想,但对于 packet 而言, 却能传送数百, 或数千byte 数据, 具有相当实用度, 据报载, 一些辐员辽扩的国家, 某些地区往往数百公里罕无人迹, 缺乏通讯设施, 于是就利用 packetradio, 简单的 vhf , (比 hf 可靠), 来传送各种情报信息, 几个小时下来, 就可传出像本篇一样长的文件, 美国甚至还研究如何以雷达找到 "即将" 掉落的流星, 并研究以极高的传送速度, 瞬时间就可把大量信息藉它传出...
2. 利用流星雨反射通讯
由于笔者是业余天文观测者, 而 "流星雨" 现象是一种很值得研究的特殊天象, 所以一直想找出办法观测, 使用电波反射, 一方面可以利用流星雨做反射通讯, 一方面又可测定流星雨的出现时间, 数量, 极大期... 等, 可说是一举两得, 但要作好通讯或观测实验,有赖于充份的事前准备工作, 紧密的团队分工合作, 所以此部份将详细讲解相关的背景资料,以便让参加者进入状况......
* "流星雨" 的来源
流星雨的出现是和 "彗星" 有关系的, 相信这点就会引起大家的兴趣.众所周知, 太阳系中有太阳, 九大行星和它们附属的卫星, 还有许许多多大小碎片,(这些是流星的主要来源), 都以比较稳定的轨道环绕着太阳运行, 除此之外, 有一种来自恒星空间 (也就是游走于太阳与其它恒星间) 的物体, 其组成物质为气体份子的结晶和有机物, 固态粒子, 等之集合, 结构颇为松散, (有科学家形容彗星是一团 "脏雪球"), 其大小约数百米至数十公里大, 但形状不是圆形或对称的, 此物质一向在黑暗寒冷的真空中运行, 无光无色, 倒也逍遥自在, 沿途可能和同类碰头擦撞, 或者 pick up 一些星际物质, 这样经过不知百十亿年, 总有机会接近一些恒星, 而这也就是彗星光辉灿烂年华的开始, 但也由此时起, 彗星迈向死亡之路....
当彗星接近体积质量超过它兆亿倍的恒星时, 就开始感受到恒星越来越大的引力, 使它加快脚步朝着恒星的方向运行, 这个加速期间可能要花上几万年, 然后它到了太阳系的范围内(约 100 个天文单位之远, 1 天文单位 = 地球与太阳距离, 约 1 亿 5 千万公里)开始受到太阳的威力, 包括 光, 热, 辐射线, 以及太阳风高速粒子, 的照射撞击,于是原本冰冷黑暗, 组织相当松散的彗星开始 "活动", 其表面的气体结晶首先 "气化"在彗星本体外围形成了一团能反射阳光的稀薄气层, 其直径由数万公里起, 不断膨胀着,其表面的物质也开始 "剥落", 然后受到太阳粒子的撞击掉离彗星本体, 随(太阳)风而去, 这些物质也会反射太阳光, 于是位在地球上的我们, 就可看到一粒光球拖着长长的尾巴, 挂在天空, 尾巴背向太阳, 状似长发人头, 或是一只扫把, 于是就取名作 "COMET"(头发之意), 中国就叫做扫帚星,...
彗星从进入太阳系起, 大约要经数十年才会运行到地球轨道附近, 光度才够亮到足以看到, 而此时其彗头直径可达数十万公里, 彗尾长数千万公里, 如此庞然大物, 能否威胁到直径只有一万多公里的地球? 答案是 NEVER ! 原来彗星是虚有其表, 庞大的彗头与彗尾其密度竟然低到连地球上所能制造出来的真空度都比不过, 真正能造成威胁的是彗星核心直径数十公里的本体撞击地球, 但也仅能在地求表面造成直径几百公里的坑洞, 其影响是能把地球上的大部份生物一扫而光, 替下一世代的生物创造环境, 据地质考古学家研究, 几亿年前可能是一颗彗星撞击地球, 把所有恐龙类大型生物 GETOUT, 剩下的小哺乳类动物 "龙口逃生", 才有机会进化成现在的各种高等生命......
幸运的是, 由于宇宙空间的广大, 星体相对的渺小, 彗星极难有机会与其它星体相撞,同时因为初速度与进入角度等因素影响, 彗星也不会直接撞向太阳, 而是以一种曲线轨道进入太阳系, 掠过太阳, 向地球人展露长尾雄姿, 然后慢慢远离太阳系, 回归恒星空间,在此过程中, 彗星会因表面物质之解离而损失一点质量, 而这些损失的物质就会留在彗星经过的轨道上, 好似孤儿般不知何去何往.....
但也有极少数的彗星, 进入太阳系时选了不幸的轨道, 在运行中距离某些行星太近, 因受引力影响, 损失了动能, 于是改变了轨道, 当绕过太阳后再也无能力脱离太阳系, 此后便以偏心率很大的椭圆形轨道绕日运行, 成为周期彗星, 加入太阳系的大家庭中....这里最著名的当属 "哈雷" 彗星, 以 76 年周期环绕太阳, 另外还有数百颗大小, 周期不等的周期彗星, 此来彼往, 好不热闹...
但彗星与其它行星不同, 运行中不断的损失质量, 掉落在轨道上, 最后一定会分裂成碎片, 宣告死亡, 我们熟知的哈雷彗星, 虽不知何时成为周期彗星, 但我们可以预料它一定会越来越小, 越暗, 最后不会引人注目, 然后无声无息的解体消失
彗星绕日运行的轨道通常是椭圆形的, 其远日, 近日点常分别在地球绕日轨道之内部与外部, 但其轨道平面与地球绕日轨道平面 (称为黄道面), 通常是立体斜交的, 所以即使彗星与地球都运行到同一方位, 也相距甚远, 彼此无涉, 而彗星在运行中会有两次通过黄道面, 由南往北的那点称为 "升交点", 由北往南的成为 "降交点", 升降交点离开地球的轨道距离不一, 但在数百颗彗星中, 总有几颗的升降交点会很接近地球轨道, 而地球每次运行到接近 其升或降交点时, 便会把彗星轨道上的残留碎片吸引过来, 使掉向地球,这结果当然很明显, 碎片与大气摩擦, 变成了流星, 但是因碎片是成群的, 所以便形成了川流不断的流星现象, ,这就是 "流星群" 或 "流星雨" 了, 自地球看, 所有流星彷佛从天空某定点向四方发射, 由于每年都会在同一时日出现于该定点, 当时的天空背景也一定是相同的星座, 所以流星雨就以该 "辐射中心点" 所在的背景星座命名, 实际上是与彗星有关的,(此一彗星称为该流星群的 "母彗星"
目前每年定时出现的 "流星雨" 有十余组, 其出现的时间与规模详见附表, 但同一组流星雨每年的观测结果都有差异, 这是因母彗星通过该点的日期每年不同, 如果母彗星刚过不久, 地球就紧接着运行到该点, 正好碰上碎片密度最大, 就可望形成壮观的 "流星雨", 反之如母彗星消失已久, 没有碎片补充, 该流星雨也会随之消失的
流星雨的规模以每小时出现的数量衡量之, 我们知道它比一般的流星多得多, 有时每小时数百颗, 那就跟 "放烟火" 差不多了, 各地天文观测者无不把 "流星雨观测计数" 当作重要的研究观赏项目, 除以 "人海战术" 划分各人观测记录区外, 还出动各种"武器", 如"多联照相机", "遮没旋转器", "高灵敏度 CCD CAMERA", "录像机"... 还可藉 "电波反射"以收音机接收远地电台的信号, 听听信号突然转强, 以判断是否有流星出现, 这个方法可用在天气不好, 目视观测法失效时在室内用, 可惜的是, 此法不太可靠, 一方面利用现成的广播电台节目其音量, 信号变化大, 而且现成的收音机必须修改内部电路才可测量电波信号的强弱
遇到了流星雨时节, 业余无线电台除了可多多利用此机会与远处通讯外, 也可经妥善规划帮助作好流星密度测定, 而且可做出杰出的科学报告, 不知大家是否有兴趣?
以无线电收发机作 "流星密度测定" 的方法很多种, 最简单的是找两个相距数百公里的电台, 平时使用 VHF 设备无法直接通讯的, 可架起朝向天空的指向天线, 其中一台发射, 另一台接收, 发射的内容可用事先录好的 TAPE, 另一台则录取接收内容, 过后再比对检查收录清楚的部份, 就可知道何时有流星群出现, 但此法仍嫌粗糙, 而且发射者一定会痛心自己的 RIG 发烧不退
随着时代的进步, 我们可改用 CW 或 PACKET 发射, 另一方则用计算机自动译码记录, 尤其是 PACKET 方式, 可以发出时间, 电台 CODE, 的标志信号 (BEACON), 每十秒送出一次,而远处的任何电台只需记下可以解开的 PACKET 内容, 把它收集后回交给分析人员, 分析者只要把各不同距离的接收者所收到的 PACKET 数统计一下, 就可知道某时某分的流星群密度如何, 密度越大, 收到的距离越远, 参加接收的电台数越多, 结果越精确..... 参加实验的人不必像目视观测者一样要露宿野外, 而且不分日夜皆可测定, 真是劳苦少功劳高, 当然, 成功的代价还是要有, 平时就要花时间校对设备的灵敏度, 不然近的电台收不到,远地的电台却收到了, 难免会有莫名其妙之感....经过流星反射传下的电波, 其强度衰减甚大, 因为发射电波要经数百 km 才到达流星余迹, 而流星余迹长度密度有限, 只能反射少量电波回来, 而反射波又要经数百 km 才能达到接收者处, 必需以较大功率发送信号, 并多利用指向性天线, 以便取得清楚的反射信号.对于 PACKET RADIO 言, 此点甚为重要
流星群名 辐射点 出 现 期 间 极大日 太阳 速度 其 他
月 日 月 日 月 日 黄经 (Km/s) 母彗星
天龙座 230 +49 1 2 1 5 1 4 283 41 速余迹 P = 5年
室女座 210 -10 3 16 3 25 30 缓 火球
武仙座 271 +33 4 15 4 25 4 22 32 48 速 P = 415年
宝瓶座 336 - 1 4 25 5 16 5 5 44 64 速余迹 (哈雷彗星)
天龙座 228 +58 6 22 6 30 缓
宝瓶座 340 -16 7 20 8 10 7 30 126 41SO
宝瓶座 337 0 7 20 8 10 8 4 131 42
摩羯座 308 -10 7 16 8 25 8 2 129 24 缓 P = 3.6 年
(本田彗星 1881V
英仙座 45 +57 7 20 8 20 8 13 139 60 速余迹
天鹅座 289 +56 8 15 8 20 8 20 146 24 爆发
仙女座 4 +45 8 下旬 (1861 IV)
御夫座 89 +39 8 30 9 4 缓 (1911 II ?)
天龙座 265 +54 10 8 10 9 缓
猎户座 92 +15 10 15 10 30 10 21 207 66 速余迹 (哈雷彗星)
鲸鱼座 40 + 5 10 15 10 25 10 20 1935年盛
双子座 98 +14 10 20 10 28 10 23 速余迹 猎户分支
金牛座 52 +14 10 15 11 30 11 5 223 27 缓 火球 (恩克)
金牛座 56 +22 10 15 12 1 11 10 228 29 缓 火球 (恩克)
狮子座 152 +22 11 1 11 末 11 17 234 7
仙女座 25 +43 11 17 11 23 P = 6.7年 (Biela)
猎户座 98 + 8 11 20
金牛座 56 +22 11 20 11 23 缓 火球 (恩克)
15 -46 12 5 缓 火球;
双子座 113 +32 12 5 12 19 12 13 261 35 短路径 (1983 TB?)
小熊座 218 +76 12 17 12 23 12 22 271 34 缓
注: 速度是指流星碎片在太阳系空间之运行速度, 对地球之相对速度应考虑地球之
公转速度 (30km/s) 及二种速度之向量组合关系 |
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