ELF/VLF: tre app per iPad come visual radio dei fenomeni radio naturali

Volevo segnalare qualche applicazione iOs a costo molto contenuto (o addirittura free) da destinare all'acquisizione e l'analisi dei segnali in banda audio. Con gli opportuni accorgimenti, acquisendo cioè variazioni di tensione elettrica e non di pressione dell'aria, questi programmi possono essere utilizzati per ricevere e visualizzare segnali naturali e precursori sismici in banda ELF/VLF ma anche per la visualizzazione di radiofari e altri modi digitali ricevuti via radio.

Il programma gratuito si chiama SpectrumView, funziona su iPhone e iPad e permette di impostare una banda di campionamento fino a 24 kHz (48 kHz di frequenza di acquisizione) e risoluzioni FFT fino a 4096 punti. Lo sviluppatore si chiama OxfordWaveResearch. Il secondo è Spectogram Pro (2,39 euro), un software messo a punto da Dominik Seibold, autore anche di alcune applicazioni fotografiche per iPad/iPhone e di un curiosissimo programma per la trasmissione acustica delle immagini, Acoustic Picture Transmitter Pro (0,99 euro) (APT è una specie di fax che campiona le immagini con la trasformata di Fourier, le converte in audio e ricostruisce l'immagine ricevuta con l'altoparlante di un secondo iPhone, un giochetto di scarsa utilità ma divertente). Spectrogram offre più opportunità di personalizzazione ma sostanzialmente lavora come SpectrumView.

E infine abbiamo Voice Analyzer (1,59 euro o free in versione Lite) della polacca Dexus. Si tratta di una applicazione rivolta in particolare ai cantanti che vogliano rendersi visivamente conto del cosiddetto "formante", il picco di intensità che nei segnali acustici spettralmente complessi tende a formarsi intorno alle frequenze fondamentali. Come gli altri due il programma visualizza il segnale vocale nei domini del tempo e delle frequenze, ma solo nella versione a pagamento permette di impostare i parametri di acquisizione e di calcolare i formanti.

In che modo queste app possono servire a chi desidera monitorare i segnali radio a frequenza molto bassa? Semplicemente intervenendo sul tipo di informazione acquisita. Se invece di misurare la variazione di pressione con il microfono incorporato utilizziamo l'ingresso line-in per misurare le variazioni di tensione, iPhone si trasforma in una "visual radio" per segnali sotto i 24 kHz. La cosa comporta l'acquisto di opportuni accessori o la realizzazione di piccoli circuiti di adattamento che permettano di seguire le uniche due strade percorribili per immettere un segnale analogico in un dispositivo privo di una porta "line-in" come l'iPad. Una strada è la presa per auricolari, che dispone di un "quarto polo" collegato al microfono (segnali mono). Purtroppo un semplice jack a quattro poli potrebbe non bastare perché se l'impedenza della linea non è quella di un microfono acustico, l'acquisizione va a monte. Su Internet si trovano dei semplici circuiti di adattamento (per esempio questo).

Una via più performante è il dock connector di iPad, dove esistono due line di ingresso per i canali stereofonici, con un problema di accessibilità. Se uno non vuole spendere troppi soldi con prodotti dedicati come iO Dock di Alesis, una soluzione elegante è un piccolo ADC/DAC come iMic di Griffin e un adattatore USB-Dock Connector come il Camera Kit della stessa Apple. La spesa complessiva è abbastanza contenuta, qualche decina di euro, ma il risultato assicurato.

Il terzo campo d'azione, se lo scopo è quello di ricevere gli elusivi segnali collegati ai fenomeni naturali e le trasmissioni che ancora occupano la porzione di spettro sotto i 30 kHz, è la sperimentazione delle antenne più opportune. Anche qui ci sono diverse strade percorribili, ma ne ho identificate due, proposte sul sito Vlf.it da Marco Bruno e Renato Romero. Si tratta dei progetti LNVA (low noise voltage amplifier)"24_20" (descritto in questo pdf) e EasyLoop, una antenna di una quarantina di spire circolari su un diametro di 75 cm. Come è facile intuire la prima antenna amplificata è sensibile al campo elettrico, la seconda a quello magnetico.

Radiosegnali dalle rocce, terremoto in arrivo. Forse.

Si possono davvero prevedere i terremoti? Forse sì, anche se nessuno strumento predittivo potrà mai essere sufficiente - in una delle nazioni più sismiche d'Europa - se bande di criminali travestiti da palazzinari sostituiscono la sabbia al cemento armato quando "costruiscono" (in cantieri che uccidono centinaia di operai, per colmo misura) case, scuole e ospedali.

Le prime cronache dalla tragedia dell'Aquila erano piene di riferimenti alle ricerche (e agli appelli) di Giampaolo Giuliani, fisico tecnico dell'INAF, che collabora con del Laboratorio Nazionale del Gran Sasso, dove tra i vari progetti sono in corso le ricerche del gruppo ERMES, che studia la possibile correlazione tra eventi come l'attività sismica e le emissioni naturali di gas radon. C'è però chi sostiene, citando teorie e dati non meno scientifici, che i sintomi dei terremoti imminenti si possono ascoltare non solo con il contatore geyger ma anche con radio e antenna. L'oggetto di studio in questo caso sono le emissioni radio naturali provocate - forse - dalla rottura delle rocce. Emissioni che si possono letteralmente "ascoltare" nella primissima parte dello spettro radio, quello delle frequenze acustiche nelle bande ULF, ELF e VLF (quindi sotto i 30 kHz). Un po' di teoria sulla generazione di queste onde si trova in un paper di Enzo Magnaschi pubblicato sul sito di Renato Romero, www.vlf.it.
In questi giorni di rabbiosa constatazione dei risultati pratici della nostra proverbiale "furba" allergia a ogni forma di regolamento da rispettare, nelle discussioni sui gruppi radioamatoriali vengono citate alcune sperimentazioni condotte proprio da radioamatori per lo studio dei Precursori Sismici Elettromagnetici. I PSE sono perturbazioni rilevabili a frequenze naturali molto basse, che secondo alcune teorie potrebbero essere associate a fenomeni di fratturazione delle rocce e quindi rappresentare il primo sintomo del terremoto in arrivo. Purtroppo non è una correlazione facile da dimostrare perché a queste frequenze le perturbazioni potrebbero essere di tutt'altra natura, naturale o artificiale, ionosferica o terrestre. L'incertezza è dovuta anche alla difficoltà di stabilire precise relazioni temporali tra i possibili precursori elettromagnetici e gli eventi sismici veri e propri. Gli sperimentatori parlano di intervalli da 2 a 8 ore tra evento ELF e terremoto. In altre parole, anche se i PSE fossero dei marker attendibili, non si sa bene quale interpretazione darne e soprattutto che misure prendere una volta stabilita la correlazione. Il sensore ULF lancia l'allarme... And so what? Si chiede cortesemente a dieci milioni di persone di evacuare abitazioni e uffici senza provocare panico? Temo che il rimedio possa diventare peggiore del male. L'unica forma di prevenzione possibile, diciamolo francamente, è costruire edifici in grado di resistere allo stress sismico più intenso.
Comunque sia, la caccia al precursore elettromagnetico ha il suo fascino e in qualche modo potrebbe tornare utile se fosse possibile capire con ulteriore anticipo quali sono le soglie di allarme. Forse si tratta solo di raccogliere un campione di dati ancora più esteso. Come scrive l'articolo pubblicato su Wired un paio d'anni fa, aziende come la californiana QuakeFinder cercano di monetizzare la teoria dei PSE realizzando reti di sensori magnetici tarati sulle frequenze ULF-ELF. Lo stesso fanno su base puramente volontaria i radioamatori dell'ARI di Fidenza, che tra l'altro stanno pubblicando su Internet in tempo i dati raccolti dalle loro postazioni equipaggiate con speciali ricevitori e software (quello di Fidenza è stato sviluppato da Roberto Violi, IK1XHH). Chiunque può cercare di correlare i presunti allarmi con i dati sismici distribuiti sempre su Internet. L'esperimento di Fidenza ricalca quello, più consolidato, dei radioamatori friuliani, con la Friuli Experimental Seismic Network.
Il 24 marzo, la rubrica Horizon del canale televisivo BBC Two ha trasmesso un documentario sul difficile mestiere del "meteorologo" sismico, ma purtroppo il programma non è più disponibile sull'iPlayer.

Evidence Mounts for Electromagnetic Earthquake Precursors
By Keay Davidson 12.14.07

SAN FRANCISCO –- Scientists revealed data Thursday that an electromagnetic alarm might have preceded a 2007 earthquake in Northern California. The evidence could offer support to a controversial theory that mysterious and little-understood signals might offer fair warning for imminent catastrophic earthquakes.
Scientists detected the signal Oct. 30 near Milpitas, California, 19 hours before a medium-size quake -- with its epicenter in the Alum Rock neighborhood of San Jose -- shook the region, scientists told Wired News Thursday.
"Alum Rock saw a signal that didn't happen at any other site: It was a series of electromagnetic pulses that were drawn out over eight minutes," said Tom Bleier, a researcher with QuakeFinder, a Palo Alto firm. He cautioned, however, that further study is needed to determine if the electromagnetic signal has "some other cause" besides the quake.
The new data, reported here at the American Geophysical Union annual meeting, was met with some skepticism. But the evidence could be a watershed moment in earthquake detection, a field that has a long and perpetually disappointing history. The discovery could strengthen the case of scientists who suggest that big quakes are preceded by strange signals, including one that may have come before the catastrophic 1989 Loma Prieta earthquake in the San Francisco Bay Area.
"There are at least a dozen theories that predict these (electromagnetic precursors) should occur," said Jacob Bortnik, a UCLA space physicist and a consultant for QuakeFinder.
To test the theory that quakes emit advance warning signals, a small team of California scientists funded by the satellite company QuakeFinder, has installed some 70 electromagnetic sensors across California, including some in high schools, in exchange for satellite internet access. The device is a white box, 4 feet tall, which contains an instrument called a search-coil magnetometer, designed to detect the type of signal that researchers theorize acts as a quake alarm.
At about 1:30 a.m. on the day before Halloween, one of the sensors -- located on the property of a plumber near Milpitas -- detected a puzzling series of electromagnetic pulses. Late that same day, a 5.6-magnitude quake occurred nearby, with its epicenter at Alum Rock, just south of the Calaveras earthquake fault.
QuakeFinder engineers are now analyzing data from the sensor, trying to determine whether it gave advance warning of the Alum Rock quake, said Bleier, who is trained in electrical engineering. He cautioned that the data analysis is only 30 percent finished, and it's premature to say whether the signal emanated from the quake or is due to some other cause.
Skeptics believe the electromagnetic signals might not be due to quakes at all. Rather, they could be caused by sources ranging from the natural to the artificial -- say, from solar activity or from electromagnetic fields generated by auto engines.
Scientists at the AGU meeting Thursday argued whether a particularly dramatic electromagnetic alarm preceded the 7.1-magnitude Loma Prieta earthquake of October 1989, which devastated parts of the San Francisco Bay Area. Antony Fraser-Smith, now an emeritus professor of electrical engineering at Stanford University, detected the signal.
According to Fraser-Smith, the 1989 signal began from an unknown source up to two weeks before the Loma Prieta quake. The signal peaked sharply a few hours before the quake struck.
But critics point out that Fraser-Smith's records don't include evidence of natural, day-and-night variations in the Earth's electromagnetic field, which are normally present in such records, said Malcolm Johnston, a geophysicist at the U.S. Geological Survey office in Menlo Park, California.
Fraser-Smith also had some supporters at the conference. David Culp, now a senior at Purdue, presented evidence he gathered as an undergraduate intern in the Stanford Department of Geophysics in the summer of 2007 that Fraser-Smith's 1989 detection. He emphasized the dramatic spike in electromagnetic intensity hours before the quake. Efforts to explain the signal via nonquake mechanisms are "entirely implausible," Culp said.
A long-time proponent of the earthquake-alarm theory, Friedemann T. Freund, a scientist at NASA Ames Research Center in Mountain View, California, also presented data on the possible mechanism underlying the electromagnetic signals.
He reported the result of a lab experiment in which he subjected rock to high pressures, modeling pre-earthquake conditions. It caused the rocks to develop electrical currents, he said. After relieving pressure on the rock, the electrical current slowly faded out -- just like the electromagnetic measurements after quakes.
"Either there is a big devil down there moving magnets back and forth, or there is some kind of physical effect causing (these signals)," Freund said.
Johnston, however, said Freund's electrical currents would be "short-circuited" by the abundant groundwater in underground rock.
Still, with evidence mounting that the signals might be real, some scientists are calling on the federal government to develop a network of electromagnetic sensors to detect such signals before quakes. Even skeptics agree more detection is necessary.
"We need a much more comprehensive (electromagnetism-monitoring) network," Johnston said.
But Bill Ellsworth, a prominent Geological Survey geophysicist, said that in the absence of an infinite amount of federal funding, first priority should go to the development of more seismic-detection networks that -- unlike earthquake alarms -- are based on well-understood physical principles.

Missili in Corea: i sottomarini russi ricevono un segnale

Torna a soffiare una raggelante brezza di crisi dalla Corea del Nord, accusata in questi giorni dal Giappone e da altre nazioni (ma gli americani, ) di voler lanciare nuovamente dei missili a lunga gittata. E con la brezza le nazioni vicine alla Corea e l'America tornano a muovere le loro forze navali e subacquee. Forze che per comunicare con le basi utilizzano - tra le altre modalità - segnali radio a frequenze incredibilmente basse. Addirittura sotto i 30 kHz, là dove le onde elettromagnetiche si "sovrappongono" alle frequenze delle onde acustiche.
Le foto pubblicate dall'Institute for Science and International Security di Washington così come sono state ricavate dai satelliti commerciali di DigitalGlobe, sembrerebbero confermare i preparativi in corso nella base di Musudan-ri. I giapponesi sospettano che come avvenuto in passato, i lanci non riguardano gli esperimenti spaziali ma le armi nucleari. Gli americani che secondo il New York Times, non interverranno per chiedere sospensioni o per intercettare e distruggere il missile nordcoreano, stanno muovendo la flotta di stanza in Corea del Sud per sorvegliare la traiettoria del lancio, che dovrebbe passare sopra il Giappone.
E gli appassionati che sorvegliano le comunicazioni radio militari hanno rilevato in questi giorni i possibili segni di queste attività. Dalla Norvegia Trond Jacobsen è specializzato nella ricezione delle comunicazioni a frequenze bassissime (VLF, 30-300 kHz) e estremamente basse (ELF, 3-30 KHz) e l'altro giorno ha segnalato sulla lista UDXF di aver monitorato attività sui canali dell'impianto russo ZEVS di Murmansk su 82 Hz (avete letto bene) e dalla stazione VLF cinese su 20,6 kHz. Secondo la sua autorevole opinione, le trasmissioni indicano che russi e cinesi stanno dislocando i loro sottomarini.
Perché per trasmettere verso questo tipo di imbarcazioni occorre scendere a frequenze così basse? Perché la radiazione elettromagnetica a tali frequenze riesce a penetrare nelle profondità del mare e inviare messaggi ai sottomarini senza costringerli a emergere o a utilizzare speciali boe in grado di fungere da antenna per comunicazioni terrestri o satellitari. Se nelle VLF la permeabilità consente di raggiungere più o meno quote periscopiche, con le ELF si scende molto più giù, a diverse decine di metri, la dove i sottomarini strategici possono mantenere la loro modalità "stealth": l'invisibilità.
La stazione ZEVS, descritta da Jacobsen in un bellissimo articolo sul non meno avvincente sito di Renato Romero dedicato alla ricezione di segnali artificiali e naturali, Vlf.it (dove tra l'altro trovate il progetto per una antenna loop amplificata da usare per la ricezione dei segnali ELF, insieme a un software di analisi spettrale per pilotare la scheda audio del computer) è l'unico impianto di comunicazione terra-profondità rimasto ancora operativo nel mondo. Fino al 2004 un impianto simile era in funzione negli Stati Uniti, in due punti del Wisconsin e del Michigan. Le due stazioni, che utilizzavano l'intero pianeta come radiatore per lanciare i segnali che riflessi dalla ionosfera penetravano nelle acque marine, rappresentavano in pratica due poli di una antenna. A 76 Hz, la lunghezza d'onda supera i 3.000 km e costruire un'antenna risonante vera e propria sarebbe proibitivo. Vale la pena di leggersi la descrizione dell'impianto americano ora dismesso (era entrato in funzione nel 1989 scatenando una ondata di proteste da parte degli ambientalisti preoccupati degli effetti di campi elettrici a frequenza così bassa), per comprendere le particolari condizioni geologiche che devono essere soddisfatte e la necessità di utilizzare potenze molto elevate e linee di trasmissione aeree lunghissime (circa 30 miglia) per raggiungere gli elettrodi sepolti nel terreno.
Quando si opera a frequenze così basse le comunicazioni ovviamente non possono avvenire in fonia e anche per i dati occorrono codifiche molto particolari. Bisogna anche pensare alla funzione tattica di questi segnali, che teoricamente possono servire a impartire l'ordine per un attacco missilistico nucleare. E se si aggiunge il fatto che le trasmissioni sono inevitabilmente a senso unico, visto che il sottomarino può ricevere ma non avrebbe la possibilità di rispondere, lo scenario diventa ancora più inquietante. Per fortuna, su frequenze così esoteriche si possono anche ascoltare gli effetti di fenomeni naturali di vario tipo, frutto delle complesse relazioni tra il campo magnetico terrestre e la ionosfera. I progetti AWESOME di Stanford e INSPIRE della NASA rappresentano una inesauribile fonte di approfondimento scientifico.

Qualche spunto per scendere sotto i 150 kHz

Ogni tanto il gruppo di discussione it.hobby.radioascolto offre spunti davvero interessanti. Devo dire che, essendo i suoi frequentatori quasi sempre interessati al monitoraggio con lo scanner di frequenze più o meno (cioè meno) autorizzate, il filo dei messaggi è a volte ripetitivo e poco stimolante. I tempi sono quello che sono e tra 0 e 30 MHz si possono ascoltare meno stazioni broadcasting e anche meno traffico utilitario, quindi immagino che ci si dovrà abituare. Va anche aggiunto che l'inesorabile tendenza verso la digitalizzazione delle comunicazioni VHF-UHF (vedi lo standard TETRA e il suo crescente impiego tra le forze dell'ordine, soccorso e pronto intervento, anche in ambiti civili e aeroportuali) determinerà una sostanziale chiusura delle finestre di opportunità e con essa un calo di interesse anche tra gli scanneristi.
Comunque sia, attingendo a qualche recente thread, ecco per esempio qualche link da tener presente sull'argomento ricevitori VLF e più in generale sui front end hardware e software per il sorvegliamento di tutto quello che succede sotto i 150 kHz, fino alle frequenze naturali di poche decine di Hertz. Rispondendo a una domanda su come procurarsi un ricevitore già pronto (in effetti non tutti devono essere necessariamente versati nell'assemblaggio dei kit ELF-VLF che si possono trovare su Internet), Paolo Zaffi, Gigi e Sommergibile mettono insieme una piccola raccolta di segnalazioni che può essere utile per chi dà la caccia a questa particolare porzione dello spettro.
Paolo Zaffi, I4EWH, ha realizzato un sito pieno di suggerimenti, con diversi schemi di antenne e convertitori. Anche il sito di "schemi utili e belli" di Somemrgibile, include, tra gli altri, un converter tra 0 e 500 kHz. Ma non bisogna dimenticare che con l'aiuto di software come Spectrum Lab o i programmi sviluppati da Alberto di Bene, è possibile monitorare sotto i 24 khz direttamente dall'ingresso di una scheda audio per pc. Lo stesso approccio, ma con una antenna loop usata per pilotare direttamente l'ingresso di un poligrafo
(il principio è lo stesso, il software prende il posto del poligrafo) si trova qui.
Con qualche ricerca su Internet si incontrano diversi progetti e kit commerciali, come questo
o il più famoso di tutti - consigliato insieme agli altri materiali formativi e di supporto nell'ambito del progetto Inspire della Nasa - il VLF-3 . Un ricevitore disponibile già montato è quello che si trova descritto su Auralchorus, ma copre fino ai 15 kHz ed è specializzato per l'ascolto e il tracciamento di fenomeni come i whistlers.