| Osservazioni IR |
|
Come anticipato, è molto difficile compiere osservazioni IR da
Terra: l'atmosfera limita pesantemente le osservazioni ad eccezione di
alcune finestre spettrali caratterizzate da parziale trasparenza,
generando un rumore di fondo molto intenso ad un livello fino ad un
milione di volte superiore a quello della radiazione che interessa.
Per superare tale inconveniente si ricorre ad osservatori posti ad alta quota utilizzando particolari tecniche di ricezione.
Nella regione
dell'infrarosso lontano è necessario effettuare le osservazioni
con strumenti portati a grandi altezze da palloni o razzi, meglio
ancora a bordo di satelliti artificiali, dato che l'atmosfera è
completamente opaca. I corpi celesti che emettono nell'infrarosso
lontano hanno temperature inferiori a qualche centinaio di gradi kelvin
paragonabili a quelle fisiche dello strumento: esiste il problema di
sapere quale oggetto effettivamente si misura, se la radiazione emessa
dalla sorgente o l'irraggiamento dello strumento.
Per ridurre il contributo di rumore dello strumento si raffredda il telescopio a temperature criogeniche (elio liquido a 3 K).
L'astronomia
infrarossa si è sviluppata, negli ultimi anni, nella ricerca di
pianeti, comete, stelle di ogni tipo, nebulose planetarie ed
interstellari, galassie e quasar: i risultati raggiunti hanno fornito
una visione dell'universo molto diversa da quella "visibile".
Ciò è dovuto alla scoperta di nuovi tipi di rivelatori,
alla realizzazione di nuovi e sofisticati strumenti di osservazione e
alla possibilità di superare lo "schermo atmosferico" mediante
l'uso di satelliti artificiali.
|
|
Radiometro IR sperimentale
|
|
Nelle
figure seguenti si vede un radiometro IR sperimentale montato su un
cavalletto fotografico ed utilizzato per le prime prove di ricezione
IR. Alcuni particolari tecnici dell'apparecchio sono mostrati nelle
foto a destra.
Nel grafico
seguente si vede una registrazione di prova relativa al transito del
disco solare sul cono di ricezione del radiometro IR (prototipo
documentato nelle fotografie a fianco) montato su un cavalletto
fotografico e posizionato in alta montagna.
Il radiometro IR è stato collegato ad una scheda di acquisizione
dati (con ADC interno ad 8 bit di risoluzione) per la registrazione
automatica delle sessioni osservative tramite la porta seriale standard
RS232C per PC.
|
|
|
|
|
L'area efficace del
radiometro (la sua capacità di captare la radiazione IR
incidente) potrebbe essere notevolmente incrementata utilizzando
l'ottica standard del modulo come "illuminatore" per un sistema di
antenna ben più grande, composto da un riflettore parabolico con
superficie riflettente lavorata (con precisione) a "specchio" per la
radiazione IR nella banda da 2.5 a 12 mm.
Il modulo sensore IR potrebbe quindi essere montato
direttamente sul fuoco del paraboloide, avendo cura di proteggere il
sensore da un eccessivo riscaldamento solare.
Ulteriori miglioramenti sulla sensibilità del sistema, con
qualche complicazione tecnica e di costo, si possono ottenere
raffreddando il sensore a termopila con un modulo refrigerante a celle
di Peltier o, meglio ancora, utilizzando un piccolo thermos ad azoto
liquido.
|
|
Se
gli esseri umani potessero percepire, invece delle radiazioni luminose
nella regione del visibile quelle infrarosse (IR), non saremmo in grado
di distinguere fra giorno e notte, ma avremmo una visione continua di
tutti gli oggetti materiali, dato che tutto ciò che ci circonda
emette nell'infrarosso. Radiazione infrarossa è sinonimo di
calore: tutta la materia dell'universo, inerte o vivente, emette ad una
determinata temperatura.
| Astronomia amatoriale infrarossa |
|
La "finestra" infrarossa
è molto ampia: si estende complessivamente da lunghezze d'onda
dell'ordine di 0.75 micron fino al millimetro.
Il termine "infrarosso vicino" (NIR: near infrared) indica il campo di
lunghezze d'onda 0.75-2 micron, "infrarosso medio" (MIR: middle
infrared) l'intervallo 2-7 micron, "infrarosso lontano" (FIR: far
infrared) il campo 7-25 micron e, infine, "estremo infrarosso" (EIR:
extreme infrared) l'intervallo 25-400 micron adiacente alle onde radio
sub-millimetriche.
La ragione pratica di tale suddivisione è legata alle
caratteristiche di trasparenza dell'atmosfera terrestre che mostra
"finestre"di trasmissione alla radiazione cosmica.
Solo alla fine dell'800 si riuscì a rivelare la radiazione
infrarossa proveniente dal Sole, mentre le osservazioni delle sorgenti
di tipo stellare, molto più deboli a causa della distanza,
possono essere compiute dallo spazio o da alcuni siti in alta montagna
(generalmente ad un'altitudine superiore a 2000 metri) ed in zone del
pianeta particolarmente asciutte.
|
|
|
|
Trasmissione
dell'atmosfera terrestre a 4.2 km di altezza (in basso), a 14 km (al
centro) e a 28 km (in alto) in funzione della lunghezza d'onda nella
regione dello spettro elettromagnetico fra 1 e 1000 micron.
Si vede come siano poche le finestre atmosferiche trasparenti alle
radiazioni infrarosse cosmiche rivelabili con gli strumenti a terra.
I gas atmosferici, soprattutto l'acqua e l'anidride carbonica, sono i
maggiori responsabili dell'assorbimento della radiazione infrarossa
cosmica.
|
|
|
|
|
|
Questa
pagina intende suggerire un nuovo campo di indagine a livello
amatoriale: quello delle osservazioni IR da postazioni ad alta quota
(cime delle montagne ad altitudine non inferiore a circa 2000 metri
s.l.m.), in condizioni di cielo sereno ed atmosfera "chiara ed
asciutta" caratterizzata da un contenuto di vapore d'acqua
trascurabile, indispensabile per minimizzare l'assorbimento ed il
rumore atmosferici.
L'idea
di partenza riguarda la costruzione di radiometri IR che utilizzano,
come elemento rivelatore della radiazione incidente, un sensore a
termopila comunemente utilizzato per misure di temperatura a distanza.
|
|
 |
|
|
(fare click sull'immagine per ingrandirla)
|
|
| Progetti & Approfondimenti |
|
 Radiometro
IR con modulo termopila per osservazioni astronomiche sperimentali
amatoriali nella regione dell'infrarosso [doc .PDF].
Utilizzando opportuni sensori all'infrarosso
chiamati termopile, commercialmente disponibili ad un costo accettabile
e largamente utilizzati in applicazioni di misure a distanza della
temperatura (nei settori industriali e consumer), è possibile
sviluppare un interessante radiometro per osservazioni astronomiche
nella regione dell'infrarosso (IR). Tale
applicazione, relativamente nuova nel settore amatoriale, se
opportunamente sviluppata ed ampliata rispetto all'idea base presentata
in queste note, consentirebbe di sperimentare l'osservazione IR del
cielo, purchè il sistema sia installato in alta montagna (a
quote preferibilmente non inferiori a 2000 metri s.l.m.) ed in luoghi
particolarmente asciutti.
Sensori termoelettrici all'infrarosso (termopile) per misure di temperatura a distanza [doc .PDF].
Sono brevemente illustrati i fondamenti teorici che
regolano il funzionamento dei sensori termoelettrici IR (termopile)
utilizzati per la misura della temperatura a distanza degli oggetti.
Tali dispositivi sono attualmente disponibili a basso costo e non
richiedono sistemi di raffreddamento, garantendo ottime prestazioni con
precisioni variabili fra ±1 K e ±0.1 K, secondo il
modello e l'intervallo di misura scelto. L'articolo illustra i concetti
fondamentali, la cui conoscenza è indispensabile, sulla fisica e
sul comportamento termico dei sensori IR.
Informazioni tecniche sui sensori a termopila [doc .PDF].
Sensore a termopila TPS333 [doc .PDF].
Sensore a termopila TPS434 [doc .PDF].
Modulo array di sensori a termopila [doc .PDF].
Per
l'acquisto dei dispositivi e per reperire maggiori informazioni sui
sensori IR a termopila utilizzati per le misure di temperatura a
distanza ci si può rivolgere a:
http://www.fastelettronica.com
http://www.tecnosens.it
AME S.r.l. - Via Plinio, 55 - 20129 Milano
Tel. +39 02 2951.4026
Fax +39 02 2940.0887
E-mail: cris.t@ame.it
|
|
|
| La radiazione infrarossa... |
|
Poichè il mezzo
interstellare è molto più trasparente alla radiazione
infrarossa che a quella visibile, gli oggetti cosmici invisibili
nell'ottico possono essere ben osservati nell'infrarosso (a maggior
ragione nella banda radio), rendendo possibile lo studio delle regioni
fortemente oscurate dalla polvere, come ad esempio il centro della
Galassia e le regioni interne di nubi interstellari dense.
Dalla legge di Wien si sa che il massimo di emissione di un corpo nero
si sposta, all'aumentare della temperatura, verso le piccole lunghezze
d'onda.
Un corpo nero alla temperatura di 3000 K sarà caratterizzato
da un massimo di emissione ad una lunghezza d'onda pari a circa 1 mm,
mentre un corpo a 3 K emetterà a circa 1 micron: entrambe le
lunghezze d'onda cadono nell'infrarosso. Considerando, ad esempio, il
nostro Sole (nell'ipotesi di approssimare il suo comportamento come un
corpo nero) caratterizzato da temperatura superficiale pari a circa
6000 K, il massimo di emissione cadrà ad una lunghezza d'onda
dell'ordine di mezzo micron, al centro della regione visibile dello
spettro elettromagnetico.
I tipici oggetti di indagine dell'astronomia infrarossa sono quindi le
sorgenti cosmiche fredde, in particolare i processi di formazione
stellare nelle nubi di materia interstellare densa e fredda.
|
| Esempi di realizzazioni amatoriali |
|
Particolari
costruttivi di uno dei vari prototipi di radiometri IR con modulo
sensore a termopila progettati e realizzati dall'autore.
Sono mostrati l'aspetto esterno del radiometro IR ed i particolari
interni relativi al circuito elettronico (realizzato su basetta
sperimentale per prototipi) e all'ottica di focalizzazione dello
strumento (che racchiude l'elemento sensibile del sensore a termopila).
Lo
strumento, portatile ed alimentato a batteria, è stato
assemblato su un contenitore plastico adatto per un facile montaggio su
cavalletto fotografico.
|
|
|
|
|
 |
|
|
L'autore ha voluto
testare la funzionalità e l'applicabilità dei moduli IR
con sensore a termopila (disponibili commercialmente per misure di
temperatura a distanza) per le osservazioni astronomiche amatoriali
nella regione dell'infrarosso, completando il dispositivo con un
semplice amplificatore differenziale DC, realizzando quindi un
sensibile ed economico radiometro.
I risultati ottenuti
sono stati incoraggianti: questo dispositivo è stato affidato
alle "cure" di un gruppo di astronomi dilettanti (che risiedono in una
località alpina) per essere sottoposto ad ulteriori
sperimentazioni e miglioramenti.
L'auspicio è che tale proposta possa essere
sviluppata ed ampliata da altri gruppi di appassionati che hanno la
possibilità di effettuare frequenti osservazioni astronomiche in
località montane ad alta quota caratterizzate da atmosfera
"chiara ed asciutta" in modo da minimizzare il contributo disturbante
dell'atmosfera terrestre.
|
|
|
