Direct Imaging and Gradient-Based Analysis of the 12 August 2026 Partial Solar Eclipse from a Freely Rotating High-Altitude Balloon

Sintesi Tecnica: Imaging Diretto e Analisi Basata sui Gradienti dell'Eclissi Parziale Solare del 12 Agosto 2026 da un Pallone Altomedio a Rotazione Libera

Definizione del Problema
I palloni ad alta quota offrono una piattaforma economica per osservazioni atmosferiche e astronomiche, incluse le eclissi solari. Tuttavia, l'imaging solare diretto da un carico utile (payload) di un pallone è complesso a causa della rotazione rapida e incontrollata del gondola. Le missioni precedenti si sono basate su sistemi dedicati di puntamento solare attivo o stabilizzazione (ad es. Peters [2]; Bowman et et al. [3]) per mantenere un orientamento solare. Questo studio affronta se sia possibile recuperare informazioni quantitative sull'eclisse da un sistema passivo, meccanicamente semplice, privo di stabilizzazione attiva o puntamento solare, utilizzando la rotazione e l'oscillazione naturale di un carico utile sospeso liberamente per scansionare il cielo.

Metodologia
L'esperimento è stato condotto il 12 agosto 2026, con lancio da Oldenburg, Germania (53.126° N, 8.231° E). Il carico utile consisteva in una sonda in polistirene espanso di Stratoflights che ospitava due telecamere Insta360 ONE RS dotate di lenti grandangolari con 4K Boost (equivalente a 16 mm su full-frame, f/2.4).

• Filtraggio: Entrambe le telecamere sono state coperte con materiale filtrante proveniente da occhiali per l'osservazione delle eclissi BRESSER (conformi alla norma EN ISO 12312-2:2015).
• Acquisizione: Il sistema è operato in modalità fotografia a intervalli (ISO 800, 1/1000 s, intervallo di 10 s) senza puntamento attivo. Sono stati catturati circa 1.300 fotogrammi durante l'ascesa, raggiungendo un'altitudine di burst di circa 35 km.
• Selezione delle Immagini: Sono stati identificati solo 21 fotogrammi contenenti un'immagine solare visibile. Questi fotogrammi coprivano l'intervallo temporale tra le 19:19:15 e le 20:38:21 CEST, includendo sia le fasi parziali crescenti che decrescenti, con il fotogramma pre-massimo più vicino alle 20:05:07 CEST.
• Analisi: Per estrarre dati quantitativi, sono stati analizzati ritagli (crop) di 200 × 200 pixel centrati sull'immagine solare. Non è stata applicata alcuna nitidezza (sharpening), interpolazione o ricostruzione sintetica. È stata impiegata un'analisi del bordo solare bidimensionale basata sui gradienti:
  1. Le immagini sono state convertite in scala di grigi e sottoposte a smoothing gaussiano.
  2. È stato calcolato il modulo del gradiente di intensità $G(x,y)$ per localizzare il bordo solare (regione di massima transizione di intensità).
  3. L'area solare visibile ($A_i$) è stata determinata delineando la regione connessa più grande al massimo gradiente.
  4. L'oscurazione derivata dall'immagine ($O_i^{img}$) è stata calcolata normalizzando $A_i$ rispetto al primo fotogramma ($A_1$), al quale è stata assegnata un'oscurazione geometrica nota ($O_1^{geo} = 2,71\%$).
• Verità di Base (Ground Truth): L'oscurazione geometrica è stata calcolata topocentricamente per la posizione di lancio, fornendo un massimo locale dell'86,32% alle 20:08:53 CEST.

Risultati Chiave
Lo studio ha recuperato con successo la progressione dell'eclissi da immagini non stabilizzate:

• Correlazione: L'oscurazione derivata dalle immagini ha mostrato una forte correlazione con l'oscurazione geometrica calcolata indipendentemente (Pearson $r = 0,959$).
• Metriche di Errore: La differenza assoluta media è stata di 9,5 punti percentuali, e l'errore quadratico medio (RMSE) è stato di 11,5 punti percentuali.
• Accordo Specifico: Diversi fotogrammi hanno mostrato un accordo ravvicinato (ad es. 19:29:14: 15,49% geometrico vs 16,48% derivato dall'immagine; 20:05:07: 83,95% vs 80,03%).
• Deviazioni Sistematiche: Il metodo ha avuto la tendenza a sottostimare l'oscurazione, in particolare nella sequenza finale. Gli autori attribuiscono queste deviazioni a fattori non corretti, tra cui la funzione di diffusione del punto (point-spread function) della telecamera, la risposta della lente dipendente dal campo (vignettatura/aberrazioni), la geometria del filtro, le differenze tra le telecamere e lo scattering atmosferico a basse elevazioni solari.

Significatività e Rivendicazioni
Il documento posiziona questo lavoro strettamente come una prova di concetto.

• Viabilità Passiva: Dimostra che la rotazione passiva del carico utile, combinata con l'imaging a largo campo e la fotografia a intervalli frequenti, può fornire osservazioni dell'eclissi sia visivamente utili che semi-quantitative senza la complessità del puntamento solare attivo.
• Semplicità Metodologica: L'analisi del bordo basata sul gradiente fornisce un metodo robusto per stimare le aree crescenti del disco solare senza richiedere fotometria assoluta o riferimenti solari non occultati calibrati.
• Calibrazione Futura: Gli autori dichiarano esplicitamente che gli errori sistematici attuali impediscono l'uso del metodo come metrologia del bordo solare calibrata. Invece, i risultati definiscono una strategia di calibrazione per esperimenti futuri, che dovrebbero includere la caratterizzazione a terra della vignettatura della lente e della funzione di diffusione del punto, la cross-calibrazione simultanea delle telecamere e l'uso di dati RAW e sensori di assetto inerziale.
• Contesto: Lo studio completa altre campagne con palloni del 2026 (ad es. in Spagna) fornendo dati da una posizione al di fuori del percorso di totalità (oscurazione dell'86,3%) utilizzando hardware a basso costo, commerciale e accessibile a studenti e al pubblico.

In conclusione, gli autori affermano che, sebbene i dati attuali contengano incertezze sistematiche sostanziali, l'approccio valida con successo l'estrazione di informazioni quantitative sull'eclisse da immagini di palloni meccanicamente semplici e non stabilizzati, ponendo le basi per un metodo di misurazione a largo campo passivo e calibrato in missioni future.