U.L.F.O. Sviluppo di un ricevitore per bassissime frequenze ULF 0.1-30Hz

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La progettazione dovr  tenere in conto del fatto che, con
frequenze di lavoro cos  basse, si incontreranno difficolt  causate
da un elevata rumorosit  dell ambiente elettromagnetico.
Scariche elettrostatiche atmosferiche, linee di alimentazione,
motori a scoppio ed a spazzole producono interferenze  nella
banda di lavoro e ci  impone la realizzazione di un sistema ad alta
dinamica.
Il problema principale Ł dovuto al rumore strumentale 1/f ,
predominante a queste frequenze. Per questo motivo si Ł scelto di
progettare un ricevitore che sfrutta la tecnica di Modulazione e
Demodulazione sincrona, anche detto  Lock In  e si sta valutando
di affiancare un unit  a correlazione necessaria per mitigare le
interferenze di carattere locale introdotte dall’ambiente. Tuttavia,
ci  comporterebbe la realizzazione di un sistema composto da due
antenne, due ricevitori ed un unit  per la correlazione.
Il lavoro svolto Ł stato cos  articolato:
Fase preliminare: durante il periodo di tirocinio si Ł dimostrato,
sia attraverso la simulazione, sia con la realizzazione pratica,
l efficacia di un sistema Lock In rispetto alla conversione diretta,
in particolare per le frequenze d interesse.
Sviluppo dell unit  Modulatore: L architettura ha come cuore la
parte modulante del sistema Lock In, un adeguato filtraggio in
ingresso e la parte di driver per la trasmissione del segnale sul
cavo twistato di discesa.
Sviluppo dell unit  Demodulatore: Il segnale proveniente
dall unit  modulatore viene amplificato, filtrato e demodulato.
Sviluppo dell unit  Clock: Ł stato realizzato un sistema di
riferimento sincrono comune alle due precedenti unit  e le
rispettive linee di ritardo per sincronizzare i segnali che arrivano
all unit  modulatore e demodulatore.
Sviluppo dell unit  d i correlazione: si Ł pensato alla possibilit  di
utilizzare l elettronica di correlazione gi  realizzata presso
l Istituto di Radioastronomia del CNR, con gli eventuali
accorgimenti per la banda  U.L.F., per aumentare la reiezione dei
segnali interferenti.
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Capitolo 1
ULFO: Ultra Low Frequency Observatory
1.1 Lo spettro radio nelle ULF
In questi ultimi anni nel campo degli studi sulle onde radio si sono
presentate due differenti scuole di pensiero: una prima, dettata dal
profitto e dal progresso tecnologico, che tende a spingersi sempre
piø verso le frequenze alte (Mhz,Ghz) e una seconda, ispirata
dalla ricerca scientifica (in particolare quella geologica), tesa a
indagare la parte piø bassa dello spettro elettromagnetico.
L interesse della comunit  scientifica, va ricordato come
capostipite il progetto I.N.S.P.I.R.E.
(http://image.gsfc.nasa.gov/poetry/inspire) della N.A.S.A., Ł
dovuto soprattutto all esplorazione  delle bande basse dello spettro
elettromagnetico in relazione a fenomeni atmosferici quali fulmini
globulari, aurore boreali e ionizzazione dell atmosfera dovuta
all impatto di micrometeoriti. Inoltre studi di geologia hanno
supposto che  fenomeni tettonici di origine sismica o eruttiva
provochino emissioni di onde elettromagnetiche a queste
frequenze.
Altri fenomeni geofisici, quali le luci sismiche (Earthquake
Ligths, EQL), sono individuati come possibili precursori di
terremoti e le teorie sulla loro origine indirizzano a ricercare la
loro  impronta  nel campo delle ULF-ELF-VLF. Questa se
individuata ne consentirebbe il rilevamento a distanza
permettendo di monitorare il territorio con sistemi di sorveglianza
automatica nella banda radio. Le teorie piø accreditate sull’origine
delle EQL sono la piezoelettricit  (dovuto alla presenza di
materiali che deformati producano un accumulo di carica),
l effetto giunzione (dato dal contatto di materiale di diversa
natura), la tribo elettricit  (elettrizzazione per strofinamento o
frizione), la piroelettricit  (elettrizzazione per riscaldamento) e
l’emissione exoelettrica (bombardamento della componente
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atmosferica da parte di elettroni emessi dalle rocce sottoposte a
compressione).
Dal punto di vista delle comunicazioni in questa banda non Ł
economicamente conveniente trasmettere, sia per le proibitive
dimensioni di un’antenna accordata a queste frequenze, sia per
l enorme energia dissipata in essa e non irradiata, sia per l’elevata
rumorosit . Caso particolare sono le trasmissioni dei Beacons1
militari ai sottomarini e viceversa, infatti a causa delle propriet  di
difrazione dell acqua, solo a queste frequenze Ł possibile
trasmettere, ovviamente la velocit  di trasmissione Ł bassissima.
Fig. 1.1 Spettro radio in Ulf (0.1÷90 Hz)
Osservando lo spettro tra 0.1 e 90 Hz risultano evidenti quali
siano le principali emissioni della banda (Fig 1.1). Di primaria
importanza sono gli interferenti definiti E.M.I. (ElettroMagnetical
Interference) di natura umana, tra cui spiccano la distribuzione
dell energia elettrica, riga a 50Hz (Europa e Africa) e a 60 Hz
(USA e paesi Commowelth). Inoltre si notano le cinque frequenze
fondamentali del fenomeno definito come Risonanza di
                                                       
1
 Stazioni automatiche per l emissione di segnali utili alla radio navigazione
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Schumann (Cap 1.4). Potrebbero inoltre essere presenti altre
emissioni che, adeguatamente studiate, aiuterebbero a capire
alcuni dei piø straordinari e disastrosi fenomeni naturali, che
molto spesso non trovano soluzione fisica.
1.2 I precursori sismici
La natura produce onde radio da sempre, il cosmo Ł permeato da
una radiazione di fondo che Ł la coda ancestrale del Big Bang, la
galassia, le stelle, i pianeti e tutto l universo emettono onde
elettromagnetiche anche a bassissima frequenza.
A molti sar  c apitato, sfregando un comune accendino, di
osservare la pietrina emettere una scintilla luminosa. Con un cos 
semplice esempio Ł possibile capire come le rocce di cui Ł
composto il nostro pianeta, sottoposte a stress meccanico, possono
produrre segnali radio per le loro intrinseche propriet  di
piezoeletricit .
Studi di geologia hanno supposto che  fenomeni tettonici come
sismi ed eruzioni provochino emissioni di onde elettromagnetiche
soprattutto nella parte bassa dello spettro radio compresa tra 0 e
20 Hz.
Tra le teorie piø accreditate [Rif. 1] sulla precursione sismica
elettromagnetica si riporta, con il permesso dell autore, quella del
Professor Ezio Mognaschi dell Istituto Nazionale di Fisica della
Materia dipartimento A. Volta Universit  di Pavia.
Infatti l ipotesi di un’origine piezoelettrica, pocanzi riportata, non pu 
reggere in generale in quanto non tutte le rocce sono piezoelettriche; in
particolare quelle calcaree dei nostri Appennini non lo sono affatto.
Tuttavia si sa che, prima di un sisma e piø precisamente nel primo stadio
degli eventi che portano ad esso, le rocce sono sottoposte a sforzi di
compressione crescenti nel tempo. Si sa anche che, prima del manifestarsi
nei materiali di una frattura macroscopica, si ha la formazione di
microfratture che si propagano in modo ramificato all’interno del materiale
stesso. Una microfrattura comporta la rottura di molti legami chimici e se il
materiale non Ł un ottimo conduttore, si creano al suo interno intensi campi
elettrici dovuti al fatto che, subito dopo la frattura, la distribuzione delle
cariche elettriche (elettroni) non Ł quella dell  equilibrio precedente: per
tale motivo alcune cariche rimangono in una delle sezioni lasciando
dall’altra una mancanza di carica. Viene cos  originato un dipolo elettrico
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che persiste per un tempo definito come tempo di rilassamento T del
materiale considerato.
Per una roccia con resistivit  dell’ordine di ρ = 106 Ohm/m e costante
dielettrica relativa 10≅rε
il tempo di rilassamente risulta essere risulta :
sT
r
4
0 10
−≅= εερ
Tale tempo pur essendo molto breve Ł sufficiente per permettere la
generazione di onde elettromagnetiche. La rottura di un legame chimico tra
gli atomi di una roccia comporta inoltre il venir meno di una situazione di
equilibrio nella quale, ad ogni atomo, era assegnata una propria posizione
di equilibrio nel reticolo cristallino. Di conseguenza gli atomi che si
trovano sulla superficie della microfrattura sono sottoposti a forze di
richiamo da parte degli altri atomi situati all’interno della roccia, forze non
piø compensate da altrettante, di segno opposto, dovute ai legami chimici
che si sono spezzati. Questo fatto comporta un’oscillazione smorzata degli
atomi posti sulle facce della microfrattura e quindi l’esistenza di un dipolo
elettrico oscillante. Il dipolo elettrico, che oscilla in modo smorzato, genera
emissioni elettromagnetiche.
L’esistenza di vibrazioni meccaniche nelle rocce sottoposte a sforzi
uniassiali di compressione Ł stata evidenziata trent’anni fa per mezzo di
trasduttori piezoelettrici incollati a campioni di rocce.
Tali esperimenti hanno mostrato che la formazione di microfratture inizia
per uno sforzo pari a circa met  di quello corrispondente alla rottura, il
numero di microfratture aumenta sempre di piø, all’aumentare dello sforzo,
sino al momento della frattura della roccia. Da un’analisi dei dati contenuti
nelle pubblicazioni e la frequenza degli eventi di microfrattura in funzione
dello sforzo, Ł risultata crescente con legge esponenziale proprio come per
la frequenza del QRM (rumore di fondo) elettromagnetico. 
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Piø precisamente, indicato con N il numero di eventi di microfrattura
rilevati in corrispondenza di uno sforzo x che rappresenta il valore
percentuale rispetto allo sforzo alla rottura, si ha:
100
0 10
⋅⋅= xhNN              No = 500     ed       h = 0.08.
in cui =0N Numero di microfratture gi  presenti nel campione
e h= parametro di normalizzazione
Il grafico relativo all’equazione Ł rappresentato in Fig. 1.2
1.2 Numero di eventi di microfratturazione rispetto ad uno sforzo X
PoichØ nell’esperimento considerato lo sforzo veniva aumentato in modo
proporzionale al tempo,(cos  come presumibilmente avviene in natura nella
fase di accumulo di sforzi nelle rocce), risulta evidente la stretta
connessione tra numero di eventi di frattura in una roccia sottoposta a
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sforzo e frequenza del QRM elettromagnetico emesso dalla stessa.
¨ anche relativamente facile comprendere come un segnale
elettromagnetico generato per frattura delle rocce possa essere ricevuto
nella zona dell’epicentro2 (se l’ ipocentro3 non Ł troppo profondo) e non a
distanza: infatti l’efficienza di radiazione dei dipoli entro la roccia Ł
piuttosto bassa in quanto la dimensione lineare del dipolo oscillante Ł
molto inferiore alla lunghezza d’onda generata.
Inoltre la profondit  a lla quale vengono generati i segnali, tipicamente sino
a 20 km nel caso considerato, fa s  che questi giungano in superficie
attenuati.
Naturalmente Ł possibile che per altre situazioni, cioŁ per altri tipi di rocce
e per l’evoluzione di stati di sforzo che daranno origine a sismi di intensit 
molto diversa da quella considerata, il modello presentato non sia
adeguato.
La presenza di segnali prima e dopo il sisma troverebbe conferma dagli
studi fatti dal gruppo di ricerca ELFRAD (Extremely Low Frequency
Research And Development)  sulle ULF-ELF  (http://www.elfrad.com).
Il gruppo Ł attivo fin dal 1986 in questo lembo estremo delle radio onde e
si pone come capofila degli studi in questa banda mai prima d ora
indagata.
A tal fine essi  si propongono di avere un ricevitore per le Ulf-Elf ogni
mille miglia quadrate, creando cos  una sorta di rete di osservazione
mondiale della gamma.
Si Ł infatti convinti che un sisma potrebbe essere solo un evento
culminante di una serie di concause coinvolgenti alcuni meccanismi ancora
sconosciuti che perdurano non solo per mesi e anni prima ma, anche per un
successivo periodo di tempo.
Un esempio di questi potrebbe essere il segnale captato in occasione del
devastante terremoto di Taiwan del 20 Settembre del 1999, (Figura 1.3).
                                                       
2
 punto della superficie terrestre nel quale un terremoto raggiunge la sua massima intensit 
3
 punto interno alla terra nel quale un terremoto raggiunge la sua massima intensit 
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1.3 Spettro radio dei giorni precedenti e antecedenti la scossa.
La figura 1.3 rappresenta lo spettro di segnali registrati nel giorno 20 e 21
Settembre 1999, le aree nere indicano assenza di segnale quelle colorate
dal blu al giallo indicano segnale in intensit  crescente. Le linee verdi sono
state tracciate a mano per evidenziare l’andamento del segnale precursore.
Il segnale sembra avere uno strascico anche dopo il sisma e non sembra
appartenere alla risonanza della crosta dopo l’evento ma sembra essere
correlato all’evento stesso.
In figura 1.4 Ł invece illustrato l’andamento di intensit  delle frequenze
comprese tra 0.23 e 0.27 Hz registrate nelle 46 ore precedenti il sisma di
Taiwan Ms 6.75 del 20 Settembre 1999 ore 17:47 GMT e le successive 68
ore.
Il sisma Ł avvenuto nel momento in cui il grafico traccia l’ora 3:40 la scala
Y non Ł esprimibile in una unit  di misura ma indica in modo scalare
l’intensit  del segnale.