Arkadiusz Olech, Urania

Trochę historii

Każdego dnia w naszą atmosferę wpada kilka milionów cząstek międzyplanetarnego pyłu. Znaczna część z nich jest wielkości ziarenek piasku i spala się na wyskości okolo 80-100 kilometrów dając piękne zjawiska "spadających gwiazd". Tylko nieliczne z nich, o masie od kilku kilkogramów wzwyż, mogą dać zjawiska bolidów o jasności porównywnalnej z Księżycem w pełni i dotrzeć do powierzchni Ziemi w postaci meteorytów.

Taka materia z Kosmosu jest nieocenionym źródłem informacji o początkach Układu Słonecznego. Problem w tym, że znaczna większość jasnych zjawisk umyka naszej uwadze, przez co tracimy wartościowy naukowo materiał. Dodatkowo sam czas działa na naszą niekorzyść. Większość meteorytów należy bowiem do klasy meteorytów kamiennych, przez co dość szybko, pod wpływem erozji, upodabnia się do zwykłych kamieni.

Nic więc dziwnego, że fotograficzne obserwacje meteorów, mające na celu uchwycenie jak największej ilości jasnych zjawisk, mają długą historię. Technika takich obserwacji nie jest jednak prosta. Chcąc zebrać o zjawisku jak największą liczbę informacji w postaci wyznaczenia jego orbity, trajektorii w atmosferze i miejsca potencjalnego spadku meteorytu, musimy obserwować je jednocześnie z przynajmniej dwóch stacji oddalonych od siebie o kilkadziesiąt kilometrów. Pierwszą osobą, która zastosowała taką metodę na szeroką skalę był znany badacz komet i meteorów Fred L. Whipple, który w latach 1939-1951 na Harvard University uruchomił bazowy przegląd nieba oparty o fotograficzne kamery Schmidta. Celem pracy Whipple'a nie było jednak wyznaczanie miejsc spadków meteorytów lecz określenie orbit jak największej liczby zjawisk. Przez to jego instrumenty miały dużą czułość, przy stosunkowo małym polu
widzenia.

Po zakończeniu projektu w roku 1951 praca Whipple'a była kontynuowana w Czechosłowacji pod kierunkiem astronomów z obserwatorium w Ondrzejowie. Przełomem w rozwoju czeskiej i europejskiej sieci bolidowej
był rok 1959. Dokładnie dnia 7 kwietnia owego roku czechosłowackie stacje zarejestrowały przelot bolidu o jasności -19 mag, a więc 250 razy jaśniejszego od Księżyca w pełni! Dzięki obserwacjom fotograficznym udało się wyznaczyć jego orbitę i miejsce potencjalnego spadku. To przyczyniło się do szybkiego znalezienia czterech meteorytów, które spadły w okolicy miejscowości Pribram.

Meteoryt Pribram jasno uzmysłowił europejskiej społeczności astronomicznej, że warto inwestować w sieć bolidową pokrywającą swoim zasięgiem jak największy obszar. W 1963 roku czechosłowackie stacje
przekształcono więc w zaczątek Europejskiej Sieci Bolidowej (EN). Pięć lat później do projektu dołączyły Niemcy, a w roku 1978 Holandia. Obecnie działa w sumie ponad 30 stacji fotograficznych rozsianych po krajach takich jak Czechy, Niemcy, Holandia, Austria, Słowacja, Belgia oraz Szwajcaria. Rozmieszczenie stacji należacych do EN prezentuje mapka widoczna na Rys. 1.

Rysunek 1 Mapa prezentująca rozmieszczenie fotograficznych stacji należących do Europejsckiej Sieci Bolidowej (EN).

Czechy jako lider EN

Najlepszym i najsprawniej działającym ogniwem EN są stacje czeskie. Są one wręcz idealnie rozłożone po całej powierzchni kraju przy zachowaniu średniej odległości około 100 km (patrz Rys. 1). Każdej pogodnej nocy w niebo spogląda więc dziesięć stacji, które nie przegapią żadnego meteoru jaśniejszego od -3 mag przelatującego nad obszarem Republiki Czeskiej.

Czesi działając pod kierunkiem ondrzejowskiego astronoma Pavla Spurnego poczynili także największe inwestycje w sprzęt. Każda z ich automatycznych stacji fotograficznych jest przez to w stanie działać
przez miesiąc bez ingerecji ludzkiej. Zdjęcie takiej automatycznej stacji widać na Rys. 2. Wyposażono ją w doskonałej jakości obiektyw Zeiss Distagon 3.5/30mm, który w połączeniu z filmem Ilforda o czułości od 100 do 400 ASA i formacie 9x12 cm daje 180 stopniowe pole widzenia i pozwala wyznaczyć położenie każdego zjawiska z dokładnością 0.01 stopnia. Codzienna praca stacji wygląda następująco: po zapadnięciu zmroku czujnik opadów sprawdza czy pada deszcz lub śnieg. Jeśli opadów nie ma, mała kamera CCD robi zdjęcie wąskiego wycinka nieba i sprawdza czy widać na nim gwiazdy. Jeśli widać, otwiera się migawka przy obiektywie Zeissa i ekspozycja rozpoczyna się. Wraz z rozpoczęciem ekspozycji włącza się fotometr, którego zadaniem jest monitorowanie jasności tła nieba. W połączeniu z odbieranym sygnałem DCF służy to dokładnemu (na poziomie 0.3 sekundy) określeniu momentu pojawienia się bolidu. Przez cały czas działa też niewielkie śmigiełko (tzw. shutter) który z częstością kilkunastu Hz odcina światło docierające do obiektywu. Trasa meteoru na zdjęciu jest przez to poprzerywana, przez co znając częstość shuttera można wyznaczyć prędkość kątową zjawiska.

Stacja zawiera w sumie ponad 30 płyt Ilforda co pozwala jej na miesięczną pracę bez ingerencji ludzkiej. W przypadku jakichkolwiek awarii lub problemów i tak jest jednak ona doglądana przez pracowników stacji meteorologicznych, w których umieszczono czeskie instrumenty.

Statystyki z ostatnich 10 lat pokazują, że około 45% nocy w roku w Czechach jest na tyle pogodnych, aby pracowały przynajmniej dwie stacje. W tym okresie rejestruje się średnio 32 bolidy rocznie, z czego prawie jeden jest w stanie przedrzeć się przez atmosferę i dać spadek meteorytu, dla którego uzyskuje się dokładne wyznaczenie miejsca spadku.

Rysunek 2 Automatyczna stacja fotograficzna należąca do czeskiej sieci bolidowej: ~1 - obiektyw, 2 - kamera CCD i fotometr, 3 - czujnik opadów, 4 - magazynek z filmami, 5 - panel sterujący, 6 - nawiew powietrza.

Najciekawsze wyniki

Jednym z najciekawszych zjawisk zarejestrowanych w ostatnim czasie był meteoryt Neuschwanstein odnotowany prawie dokładnie 43 lata po obserwacji meteorytu Pribram dnia 6 kwietnia 2002 roku. Ogromna kula ognia była obserwowana w prawie całej Europie Środkowej. Naoczni świadkowie znajdujący się bliksko końca trajektorii lotu meteoru donosili o dziwnych efektach akustycznych czy lekkim trzęsieniu ziemi i wibracjach szyb okiennych.

Bolid lub zjawiska z nim związane były obserwowane przy pomocy europejskiej sieci fotograficznej, radiowej, detektorów ultradźwiękowych i sejsmicznych, co czyni go najlapiej udokumentowanym spadkiem w historii.

Czeskie i niemieckie dane fotograficzne pozwoliły na wyznacznie orbity ciała, które spowodowało zjawisko, jego trajektorii w atmosferze i miejsca potencjalnego spadku. Droga meteoroidu w naszej atmosferze zaczęła sie na wysokości 91 kilometrów nad Insbruckiem, a skończyła 16 kilometrów nad miejscem leżącym około 20 kilometrów na zachód od Garmisch-Partenkirchen. Bolid wszedł w naszą atmosferę z prędkością 21 km/s i osiągnął maksymalną jasność -17.2 magnitudo (prawie 50 razy większą od Księżyca w pełni!).

Początkowa masa meteoroidu wynosiła około 300 kilogramów. Większość jednak spaliła się w naszej atmosferze, tak że do ziemi miało szansę dotrzeć, w postaci kilku kawałków, około 20 kilogramów.

Niestety podział meteoroidu w atmosferze nastąpił pod sam koniec lotu, przez co nie ma fotograficznych danych odnośnie trajektorii poszczególnych fragmentów. Obliczenia odnośnie miejsca spadku komplikuje dość silny wiatr wiejący w dniu obserwacji zjawiska. Ostatecznie naukowcy obliczyli, że najbardziej prawdopodobne miejsce znalezienia meteorytu to obszar długi na kilka kilometrów i szeroki na 800 metrów leżący niedaleko malowniczego zamku w miejscowości Neuschwanstein.

Dnia 14 lipca 2002 roku niespełna 400 metrów od wyznaczonego miejsca spadku odnaleziono meteoryt kamienny (chondryt klasy EL6) o wadze 1.75 kg.

Co najciekawsze, orbita meteorytu Neuschwanstein okazała się prawie identyczna z orbitą meteorytu Pribram, co sugeruje, że mamy do czynienia z nowym rojem meteorów obfitującym w bardzo duże ciała!

Astronomowie szacują, że prawdopodobienstwo przypadkowego ułożenia orbit dwóch ciał, tak aby udawały one jeden rój wynosi tylko 1 do 100000. To sugeruje fizyczny związek obu meteorytów. Z drugiej strony badania chemiczne poddają pod wątpliwość istnienie jednego macierzystego ciała wspólnego dla obu meteorytów. Ich skład chemiczny różni się bowiem dość wyraźnie. Nie mniej dni 6-7 kwietnia będą od teraz gorącym okresem dla łowców bolidów i meteorytów.

Alterntywa dla fotografii

Patrząc na Rys. 1 widać wyraźnie, że Polska jak na razie jest wielką białą plamą na europejskiej mapie sieci bolidowej. To dość spory problem bo powierzchnia naszego kraju jest niewiele mniejsza od powierzchni Niemiec i aż cztery razy większa pod powierzchni Czech. Jednoznacznie z tego wynika, że brak sieci bolidowej w Polsce powoduje przegapianie grubo ponad 100 bolidów i przynajmniej 1-2 spadków meteorytów rocznie!

Przy obecnym stanie finansowania nauki trudno sobie wyobrazić, że nadrobimy szybko dystans dzielący nas od Czechów. Żeby im dorównać musielibyśmy w krótkim czasie postawić kilkadziesiąt automatycznych stacji, z których każda warta jest kilkadziesiąt tysięcy złotych.

Na szczęście z pomocą przychodzi nam postęp techniki, który w ostatnich latach owocuje tanim i czułym sprzętem wideo. Już w pod koniec roku 2002 Pracownia Komet i Meteorów (PKiM) przy wsparciu finasnowym KBN uruchomiła stację wideo do obserwacji meteorów opartą o cztery kamery przemysłowe. Każda kamera wideo miała pole widzenia 22x17 stopni i pozwalała rejestrować meteory o jasnościach do 1.5 mag (Rys. 3).

Rysunek 3 Stacja wideo pracująca w Ostrowiku składająca się z 4 kamer Tayama.

Dalszy postęp techniki spowodował, że obecnie osiągane wyniki są jeszcze lepsze. Pan Mirosław Krasnowski oraz spółka Siemens Building Technologies dostarczyły PKiM do testów 13 nowych obiektywów i trzy czułe kamery. Wyniki okazały się bardzo zachęcające. Przy zastosowaniu kamery firmy Mintron i obiektywu Ernitec 1.2/4mm o polu widzenia 66x51 stopni udało się rejestrować meteory o jasnościach do 2 mag. Zastosowanie 3-4 takich kamer pozwala objąć obserwacjami prawie całą sferę niebieską i rejestrować wszystkie zjawiska jaśniejsze od 2 wielkości gwiazdowej oraz wyznaczać ich współrzędne z dokładnością na poziomie 0.02-0.03 stopnia. Jest to dokładność 2-3 razy grosza niż ta osiągana przez Czechów, ale koszt stacji bolidowej opartej o kamery wideo zamyka się kwotą 10 tysięcy przy zakupie nowych komponentów oraz kwotą 7 tysięcy przy zakupie części komponentów na rynku wtórnym. Jest to więc koszt kilkukrotnie niższy od kosztu stacji EN, a zyskiem z zastosowania techniki wideo jest wynik w postaci cyfrowej nie wymagający wywoływania i skanowania filmów oraz większy zasięg pozwalający rejestrować znacznie większą ilość zjawisk.

Sieć bolidowa w Polsce

Koszt 7000 złotych(cena już nie aktualna- obecnie 10 razy mniej) nadal może wielu osobom wydawać się duży. Dlatego też zdecydowaliśmy się, aby siec bolidowa w Polsce miała charakter hybrydowy. Tam gdzie udało się uzyskać wsparcie KBN, macierzystej instrytucji naukowej lub sponsora uruchomilismy stację wideo. Stacje
takie działają już więc w Stacji Obserwacyjnej Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszwskiego w Ostrowiku, w Złotokłosie i w Poznaniu. Tam gdzie możemy posiłkować się pomocą miłośników astronomii zdecydowaliśmy się uruchomić znacznie tańsze i proste stacje fotograficzne. Są one najczęściej oprate o 2-3 aparaty klasy Zenit lub Praktica i obiektywy 2.8/29mm. Przy polu widzenia rzędu 70 stopni i zastosowaniu filmów o czułości 200-400 ASA są one w stanie rejestrować meteory jaśniejsze od -2 mag. Koszt takiej prostej i ręcznie sterowane stacji fotograficznej wposażonej w 2-3 aparaty, hermetyczną skrzynię i shutter zamyka się kwotą 800-1000 zł (patrz Rys. 4). Stacje fotograficzne działają już więc w Nowym Dworze Mazowieckim i w Żabikowie koło Radzynia Podlaskiego.

Dzięki wsparciu sponsora - firmy Siemens Building Technologies, dotacjom KBN i środkom własnym instytutów w najbliższym czasie planujemy uchuchomić kolejne stacje wideo w Zielonej Górze, Toruniu i Krakowie.

Apelujemy też do wszystkich miłośników astronomii regularnie prowadzących obserwacje o współpracę w ramach polskiej sieci bolidowej. Ze swojej strony możemy zapewnić wsparcie logistyczne, pomoc w budowie aparatury i w opracowaniu uzyskanych wyników. Wszystkich chętnych prosimy o kontakt pod adres: pkim@pkim.org

Pracownia Komet i Meteorów podjęła też wstępną współpracę z Polskim Towarzystwem Meteorytowym (PTM), które na bieżąco będzie informowane o wynikach naszych obserwacji i miejscach potencjalnych spadków
meteorytów.

Rysunek 4 Stacja fotograficzna Apollo skonstruowana przez Przemysława Żołądka i składająca się z dwóch aparatów Praktica z obiektywami 2.8/29mm.

Pierwsze wyniki

Dokładnie o godzinie 19:54 dnia 20 lutego niebo nad Polską rozświetlił bardzo jasny meteor. Był on widoczny w Poznaniu, Warszawie i okolicach, w Kielcach i Opolu. Obserwatorzy porównywali jego jasność do Księżyca w kwadrze!

Według opisu Przemysława Żołądka z Pracowni Komet i Meteorów, który obserwował z Nowego Dworu Mazowieckiego, bolid był wolny i leciał z gwiazdozbioru Bliźniąt do gwiazdozbioru Hydry.

Bolid został sfotografowany przez obserwatorów Pracowni Komet i Meteorów (PKiM) w Stacji Obserwacyjnej Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego w Ostrowiku koło Warszawy. Do wykonania zdjęcia użyto specjalnego stanowiska fotograficznego składającego się z czterech aparatów Canon T50 z obiektywami 1.4/50mm - dokładnie takiego, które pracuje obecnie w stacji w Nowym Dworze Mazowieckim.

Okazało się, że dokładnie to samo zjawisko zostało zarejestrowane przez czeską stację na Lysej horze należącą do europejskiej sieci EN. Zebranie danych z Polski i z Czech pozwoliło na wyznaczenie orbity ciała, jego trasy w atmosferze i miejsca potencjalnego spadku meteorytu. Wyniki tej analizy zostały opisane przez Pavla Spurny'ego z Onrejov Astronomical Insitute, Arkadiusza Olecha z Centrum Astronomicznego PAN w Warszawie i Piotra Kędzierskiego z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego w artykule złożonym do druku w dwumiesięczniku International Meteor Organization o nazwie "WGN".

Okazało się, że bolid został spowodowany przez ciało o masie dwóch kilogramów, które pojawiło się na wyskości 71 km nad miejscem położonym około 10 km na północny-wschód od Kozienic. Maksymalną jasność, porównywalną z Księżycem w pełni (ponad -10 mag), kula ognia osiagnęła nad miejscowością Łaskarzew, przez co bolid otrzymał oznaczenie EN200204 "Łaskarzew". Zjawisko było wtedy na wyskości 36 km. Ze względu na małą masę jest niewielka szansa na to, że meteoroid przetrwał przejście przez atmosferę. Z drugiej jednak strony zjawisko było bardzo wolne (13.4 km/s na poczatku widocznej trasy i 10 km/s na jej końcu) co sugeruje, że odłamki o masie około 100 gram mogły uderzyć w Ziemię w miejscu położonym pomiędzy Garwolinem a miejscowością Puznów Nowy.

Meteoroid, który spowodował całe zjawisko dotarł do nas z głównego pasa planetoid rozciągającego się między orbitami Jowisza orz Marsa i jest najprawdopodobniej odłamkiem powstałym w wyniku zderzenia dwóch znacznie wiekszych ciał (Rys. 5).

Rysunek 5 Orbita meteoroidu o masie 2 kg, który spowodował pojawienie się bolidu Łaskarzew z dnia 20 lutego 2004 roku.

Podsumowanie

Widać więc wyraźnie, że nawet prostym sprzętem fotograficznym i przy odrobinie zaangażowania daje się uzyskać wartościowe naukowo wnioski. Zastosowanie stacji wideo da nawet więcej możliwości niż w przypadku czeskich stacji, gdzie rejestrowane są tylko bolidy. Różnica w zasięgu pomiędzy stacjami bolidowymi EN a naszymi stacjami wideo to około 5 wielkości gwiazdowych, co świadczy, że przy dobrym rozłożeniu miejsc obserwacji na terenie naszego kraju, możemy rejestrować około 100 razy więcej meteorów niż Czesi. Nasze wyniki można będzie więc wykorzystać dwutorowo. Dla zjawisk o jasnościach od -5 do 2 mag, nie mających praktycznie szans by stać się meteorytami, można będzie skonstruować
obszerną bazę orbit, co będzie doskonałym źródłem do badań nad dynamiką małych ciał Układu Słonecznego. Natomiast dla zjawisk bardzo jasnych, stacje wideo będą działać analogicznie do stacji EN rejestrując bolidy, wyznaczając ich orbity, trajektorie w atmosferze i miejsca potencjalnych spadków.