MINISTERO DELL`ISTRUZIONE, DELL`UNIVERSITÀ E DELLA

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MINISTERO DELL'ISTRUZIONE, DELL'UNIVERSITÀ E DELLA RICERCA
Direzione Generale per il Coordinamento e lo Sviluppo della ricerca
PROGETTO DI RICERCA - MODELLO A
BANDO FIRB - PROGRAMMA "FUTURO IN RICERCA"
Anno 2010 - Protocollo: RBFR10V192
LINEA D'INTERVENTO 1
1 - Titolo del Progetto di Ricerca
Italiano
Caratterizzazione delle proprietà ottiche dell'atmosfera nel vicino UV e sviluppo di modelli previsionali per
studi sulla climatologia e per esperimenti sulla fisica dei raggi cosmici di altissima energia da terra e dallo
spazio
Inglese
Characterization of optical properties of the atmosphere in near UV and development of predictive models for
climatology studies and for space and ground based experiments on the physics of ultra high energy cosmic
rays
2 - Durata del Progetto di Ricerca
36 mesi
3 - Coordinatore scientifico della ricerca (Principal Investigator)
VALORE
Laura
VLRLRA78T55F839X
(cognome)
(nome)
(codice fiscale)
Dottore di ricerca
15/12/1978
(qualifica)
(data di nascita)
Università degli Studi di NAPOLI "Federico II"
Istituzione che si impegna a garantire il contratto
(art. 5 comma 8 del bando)
081676243
(telefono)
[email protected]
(fax)
(e-mail)
4 - Abstract del Progetto di Ricerca
Italiano
Il progetto di ricerca si propone di caratterizzare le proprietà ottiche dell'atmosfera nel vicino UV, in particolare la stratificazione degli aerosol troposferici e
l'opacità e distribuzione delle nuvole, con l'obiettivo di sviluppare modelli previsionali (sia temporali che spaziali) utili sia alla comunità della fisica dei raggi cosmici
che per studi di fisica dell'atmosfera. Lo studio della stratificazione degli aerosol troposferici e della loro variabilità temporale su scale brevi (variazioni orarie) e
lunghe (variazioni stagionali) è un campo di ricerca tipico della fisica dell'atmosfera ed è di rilevante importanza in quanto gli aerosol giocano un ruolo non
trascurabile nei processi radiativi atmosferici e quindi hanno notevole effetto sul clima. Non esistono tuttora modelli in grado di tener conto della complessa
variabilità degli aerosol sia dal punto di vista spaziale (su scala di qualche decina di chilometri) che temporale (su scala di qualche ora). Di conseguenza è molto
sentita dalla comunità scientifica la necessità di arricchire la rete di osservazioni sistematiche, allo scopo di raccordarsi con osservazioni da satellite e per
sviluppare modelli più completi e che siano in grado di fare previsioni. In particolare l'applicazione della versione del modello WRF (Weather Research Forecast)
accoppiata con un modello chimico, WRF-Chem, verrà sviluppata allo scopo di calcolare l'evoluzione dei campi meteorologici e della concentrazione di aerosol in
atmosfera.
La medesima necessità di uno studio sistematico delle proprietà degli aerosol è fondamentale anche in un campo totalmente diverso, la fisica dei raggi cosmici. Ad
energie intorno ai 1012 eV e maggiori di 1018 eV stanno infatti sono ampiamente usate tecniche di rivelazione di luce UV Cherenkov e di fluorescenza (tipicamente
nella banda tra i 300 e i 420 nm). Tali tecniche sono sensibili all'intero sviluppo dello sciame e non solo alle residue particelle a terra, e dallo studio dello sviluppo
del profilo di luce è possibile identificare il primario che ha generato lo sciame. Intorno ai 1012 eV la tecnica è tanto efficace che la quasi totalità dei rivelatori
utilizzati o in fase di progetto per astronomia gamma si basa sulla rivelazione di luce Cherenkov. Ad energie maggiori di 1018 eV i rivelatori di luce di fluorescenza
forniscono una misura quasi calorimetrica dell'energia dei primari che generano gli sciami, e sono sensibili alla loro massa, in quanto lo sviluppo in
atmosfera di sciami generati da primari di natura diversa è differente e predicibile entro limiti legati alle fluttuazioni intrinseche dello sciame e alla scarsa
conoscenza delle proprietà delle interazioni adroniche ad energie così elevate. Lo scattering della luce dovuto agli aerosol è in questo contesto il fenomeno più
variabile ed significativo ai fini di una corretta ricostruzione dell'energia e dello sviluppo longitudinale dello sciame e sono imponenti gli sforzi nelle comunità dei
fisici dei raggi cosmici per mettere a punto sistemi di monitoraggio atmosferico efficaci ed affidabili. Al contempo la conoscenza della copertura nuvolosa e
dell'opacità ottica delle nuvole stesse è altrettanto importante, poiché lo sviluppo di uno sciame ne risulta modificato.
Il programma di ricerca di questo progetto si inserisce appunto a cavallo di queste problematiche, proponendosi di affrontare il problema dapprima in un sito urbano
(Torino) e rurale (L'Aquila) e successivamente in un sito arido/desertico (Colorado ed Argentina), quest'ultimo con caratteristiche tipiche delle zone in cui operano i
1
rivelatori UV per raggi cosmici e di notevole interesse anche dal punto strettamente della fisica dell'atmosfera. La strumentazione scelta è volutamente ridondante,
dello stesso tipo di quella comunemente in uso nei maggiori esperimenti di fisica dei raggi cosmici e nella comunità di fisica dell'atmosfera, allo scopo di valutare tra
l'altro le sistematiche proprie di ciascuno strumento attraverso l'osservazione contemporanea della stessa regione con tecniche diverse. Un tale confronto
contribuirebbe a diminuire le incertezze che, nel caso dei rivelatori per raggi cosmici, inevitabilmente si propagano sulla determinazione dell'energia e sulla capacità
di distinguere i primari, gamma, protoni o nuclei più pesanti.
Ci si propone quindi una campagna di presa dati così strutturata : durante il primo anno, il sistema LIDAR verrà costruito, testato e calibrato presso l'Università di
Torino, dove si effettueranno anche una serie di misure in area urbana. Una seconda serie di misure (e confronti con sistemi già esistenti ed continuamente sottoposti
a controlli di qualità) verrà svolta presso il laboratorio LIDAR del CETEMPS di L'Aquila (vedere allegato del Prof. Visconti). Durante il secondo anno, il sistema
LIDAR verrà trasferito nella regione di Prowers County, 300 km a sud di Denver, Colorado, dove raccoglierà dati per un anno contemporaneamente ad un secondo
strumento già operante sul sito (Atmospheric Monitoring Telescope, AMT) e dove sono già presenti edifici, infrastrutture e parte della strumentazione necessaria, alla
quale ci è stato garantito l'accesso per la durata del progetto (vedere allegato del Prof. Wiencke). Infine, durante il terzo anno il LIDAR verrà trasferito presso
l'osservatorio Pierre Auger, Malargue - Argentina, dove si potranno realizzare delle campagne di presa dati e confronti con un ricco parco di strumenti dedicati al
monitoraggio atmosferico per comprenderne le sistematiche. Sotto l'aspetto modellistico l'ambiente arido-desertico presente sia in Colorado che in Argentina sono
molto interessanti in quanto l'impatto umano è molto limitato e vi sono periodiche attività vulcaniche. Con questo progetto sarà possibile evidenziare eventuali
modulazioni stagionali e studiare la correlazione della stratificazione degli aerosol con altri parametri atmosferici al fine di sviluppare modelli utili ad entrambe le
comunità.
Tutte le informazioni raccolte saranno catalogate in un database che ne permetterà la diffusione alla comunità scientifica.
Inglese
The research project is going to characterize the optical properties of the atmosphere in the near UV, in particular the tropospheric aerosol stratification and the
distribution and optical depth of clouds, with the aim of developing predictive models (both in time and space) needed by the cosmic ray physics community and for
climatology studies. The study of tropospheric aerosol stratification and their variability on short (hourly) and long (seasonal) time scales is a typical research field
in atmospheric physics and it is highly relevant since aerosols play a key role in atmospheric radiative processes and thus have a considerable effect on climate.
Nowadays, there are still no models able to take into account the complex variability of aerosols both in space (on a 10 km scale) and time (on a hourly scale). As a
consequence, the scientific community deeply feels the need to enhance the network of systematic observations in order to reach a clear agreement with satellite
observations and to develop more comprehensive and predictive models. In particular the application of the WRF (Weather Research Forecast) model coupled with a
chemical model, WRF-Chem, will be developed in order to determine the evolution of meteorological fields and aerosol concentration in atmosphere. As for
climatology studies, also in a totally different field, the physics of cosmic rays, a systematic study of the aerosol properties is strongly needed. Nowadays for energies
around 10^12 eV and greater than 10^18 eV, measurement techniques based on the detection of Cherenkov light and UV fluorescence (typically in the range between
300 and 420 nm) are commonly used. These techniques are sensitive to the development of the cosmic ray shower in atmosphere, not only to the residual particles at
ground, and the study of the development of the light profile allows the identification of the primary particle that generated the shower. Around 10^12 eV, this
technique is so effective that all the detectors used in gamma astronomy projects are based on the detection of Cherenkov light. In the range of energies above 10^18
eV the fluorescence detectors provide a nearly calorimetric measurement of the primary energy of the particle that initiated the shower, moreover they are sensitive to
their mass, due to the fact that the development of showers in atmosphere is strongly dependent from the nature of the primary
particle : showers initiated by heavy nuclei are different from those generated by protons. This difference is predictable within the limits related to showers' intrinsic
fluctuations and is limited by the lack of knowledge of the properties of hadronic interactions at these high energies. The scattering of light due to aerosols is the most
significant and variable phenomenon in this scope, influencing the correct determination of the longitudinal development of the shower and of its energy. For this
reason, in these last years the cosmic rays community spent great efforts to develop more effective and reliable atmospheric monitoring systems. At the same time a
precise knowledge of the clouds distribution and of their optical depth is equally important, because it modifies the development of the shower in atmosphere.
The research program of this project is indeed positioned exactly between these two items, proposing to address the problem in a urban environment (Turin), than in
rural site (L'Aquila) and finally in an arid-desert like environment (Colorado and Argentina), the last one with characteristics typical of the areas where UV detector
for cosmic rays usually operate, and also highly interesting from the point of view of the physics of the atmosphere. The instrumentation chosen is on purpose
redundant, similar to one commonly in use in the major cosmic rays experiments and in the atmospheric physics community, in order to assess the different
systematics affecting each instrument providing simultaneous observations of the same air mass with different techniques.
This comparison will contribute to reduce the uncertainties of cosmic rays detectors measurements, which inevitably affect the energy determination and make
difficult to distinguish between primary particles (i.e. photons, protons, heavier nuclei).
This project will be structured as follows : during the first year, the LIDAR system will be built, tested and calibrated at the Torino University, where a series of
measurement in urban environment will be performed. A second group of measurements (and comparisons with pre-existing systems continuously subject to quality
checks) will be performed at the CETEMPS laboratory of L'Aquila (see the attached letter from Prof. Visconti). During the second year, the LIDAR system will be
transferred to the Prowers County region, 300 km south of Denver, Colorado, where it will collect one year of data together with a second instrument for UV
measurements already in operation on-site (Atmospheric Monitoring Telescope, AMT), and where there are infrastructures (buildings, labs, part of the needed
instrumentation) to which we were granted access for the whole duration of the project (see the attached letter from Prof. Wiencke). Finally, during the third year of
the project the LIDAR will be transferred to the Pierre Auger Observatory (Argentina), where campaigns of measurements and comparisons will be performed with a
huge set of instruments devoted to atmospheric monitoring to understand and reduce the systematics related to each technique. From a climatological point of view,
arid-desert like environments are extremely interesting because of the limited human impact and the periodic volcanic activities. With this project possible seasonal
modulations will be observed and the correlation of the aerosol stratification with other atmospheric parameters (wind, rain, temperature, pressure) will be
investigated in order to develop models useful for both communities.
All the collected data will be stored in a database available to the scientific community.
5 - Parole chiave
Italiano
1. aerosol atmosferici
2. raggi cosmici
3. meteorologia
Inglese
1. atmospheric aerosols
2. cosmic rays
3. meteorology
6 - Settori di ricerca ERC (European Research Council) interessati dal Progetto di Ricerca
PE Physical Sciences and Engineering
PE9 Universe sciences: astro-physics/chemistry/biology; solar system; stellar, galactic and extragalactic astronomy, planetary systems, cosmology; space science,
instrumentation
PE9_10 High energy and particles astronomy - X-rays, cosmic rays, gamma rays, neutrinos
PE10 Earth system science: physical geography, geology, geophysics, atmospheric sciences, oceanography, climatology, ecology, global environmental change,
biogeochemical cycles, natural resources management
PE10_2 Meteorology, atmospheric physics and dynamics
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PE9 Universe sciences: astro-physics/chemistry/biology; solar system; stellar, galactic and extragalactic astronomy, planetary systems, cosmology; space science,
instrumentation
PE9_17 Instrumentation - telescopes, detectors and techniques
7 - Curriculum scientifico del Coordinatore della Ricerca
Italiano
13.10.2004 : Laurea in Fisica con votazione 110/110 e lode , presso l'Università di Napoli “Federico II”. Titolo della tesi: “Il Sistema Lidar/Lidar Raman per la
Misura della Trasparenza Atmosferica nell' Esperimento Auger”
21.12.2007 : Dottorato di Ricerca in Fisica Fondamentale ed Applicata conseguito presso l'Università di Napoli “Federico II” con giudizio eccellente. Titolo della
tesi: “Atmospheric Aerosol Determination using Vertical Laser Tracks in the Pierre Auger Experiment”
Borsa di studio (dal 1.11.2007 al 31.01.2008) presso il Dip. di Scienze Fisiche dell'Università “Federico II” di Napoli
Borsa PostDoc (dal 15.10.2008 al 14.01.2009) presso il Dip. di Scienze Fisiche dell'Università “Federico II” di Napoli
Borsa PostDoc (dal 01.02.2009 al 31.07.2009) presso il Dip. di Scienze Fisiche dell'Università “Federico II” di Napoli
Assegno di ricerca I.N.F.N. (dal 03.08.2009 al 02.08.2010) presso la Sezione di Napoli sul tema “Monitoraggio della trasparenza atmosferica per la rivelazione di
radiazione cosmica di altissima energia con esperimenti nello spazio”
Attualmente borsista PostDoc (a decorrere dal 03.08.2010) presso l'Università degli Studi di Napoli “Federico II”
Esperienze:
2004 : installazione LIDAR Raman presso l'Osservatorio Auger in Argentina
06/ 2007 : ISAPP07 - International School on Astroparticle Physics - “Multi messenger Approach in High Energy Astrophysics” (France)
02/2008 : collaborazione con il Prof. L. Wiencke della Colorado School of Mines di Golden, Colorado, per la misura dei profili di estinzione degli aerosol atmosferici
nell'Esperimento Auger
07/2008 : ATMON08 (Atmospheric Monitoring for Astroparticle Physics), presentazione “CLF at the Pierre Auger Observatory : hardware and analysis of aerosol
optical depth” per la Collabrazione Auger
10/2008 : insignita di menzione nell'ambito del Premio “Giampietro Puppi” della Fondazione Marino Golinelli per una tesi di dottorato su argomento fisico o
astrofisico
12/2009 : Valutazione in 38/40 del progetto di ricerca presentato in qualità di P.I. per il bando Futuro in Ricerca - FIRB 2008
05/2009 : RICAP09 (2nd Roma International Conference on Astro-Particle Physics) : presentazione del poster “Atmospheric Aerosol Characterization using the
Central Laser Facility at the Pierre Auger Observatory”, per la Collabrazione Auger
07/2009 : ICRC09 (31st International Conference on AstroParticle Physics (Polonia) : presentazione del poster “Atmospheric Aerosol Measurements at the Pierre
Auger Observatory”, per la Collabrazione Auger.
La mia attività di ricerca riguarda la misura della trasparenza atmosferica per esperimenti di fisica dei raggi cosmici di altissima energia, indispensabile per
ottenere una stima corretta dei parametri scientifici del primario che ha generato lo sciame. Durante la tesi di laurea ho contribuito all'installazione ed all'analisi
dati del sistema LIDAR Raman presso il sito di Auger. Successivamente con l'attività di dottorato di ricerca e contratti PostDoc ho lavorato alla misura dei profili di
estinzione della luce di fluorescenza da aerosol atmosferici analizzando i dati del Central Laser Facility di Auger. A tale scopo ho sviluppato un algoritmo originale
basato sul confronto degli eventi laser registrati dai rivelatori di fluorescenza con simulazioni in diverse condizioni atmosferiche, generate utilizzando un modello
parametrico di descrizione della distribuzione degli aerosol in atmosfera. Ho sviluppato ed implementato il codice di simulazione di eventi laser nel software
dell'esperimento. I risultati dell'analisi sono inseriti nel Database Atmosferico del software di Auger. Attualmente mi sto occupando dell'analisi dati di un nuovo
sistema laser di Auger (eXtreme Laser Facility, XLF). Nell'ultimo anno ho partecipato alla proposta di esperimento Jem-EUSO per l'osservazione dei raggi cosmici
dallo spazio, proponendomi di studiare il monitoraggio atmosferico dallo spazio con un sistema LIDAR di bordo attraverso simulazioni.
Inglese
13.10.2004 : Degree in Physics, mark 110/110 cum laude, at the University of Naples “Federico II”. Title: “Il Sistema Lidar/Lidar Raman per la Misura della
Trasparenza Atmosferica nell' Esperimento Auger”
21.12.2007 : PhD in Fundamental and Applied Physics at the University of Naples “Federico II”, mark excellent. Title: “Atmospheric Aerosol Determination using
Vertical Laser Tracks in the Pierre Auger Experiment”
Scholarship (from 1.11.2007 to 31.01.2008) at the Dip. di Scienze Fisiche of the University of Naples “Federico II”
PostDoc fellowship (from 15.10.2008 to 14.01.2009) at the Dip. di Scienze Fisiche of the University of Naples “Federico II”
PostDoc fellowship (from 01.02.2009 to 31.07.2009) at the Dip. di Scienze Fisiche of the University of Naples “Federico II”
PostDoc I.N.F.N. fellowship (from 03.08.2009 to 02.08.2010) at the I.N.F.N. Section of Naples on subject “Atmospheric monitoring for the detection of UHECR with
space based experiments"
Presently : PostDoc fellowship (since 03.08.2010) at the Dip. di Scienze Fisiche of the University of Naples “Federico II”
Experiences:
02 - 04/2004 : LIDAR Raman installation at the Auger Observatory in Argentina
06/ 2007 : ISAPP07 - International School on Astroparticle Physics - “Multi messenger Approach in High Energy Astrophysics” (France)
02/2008 : collaboration with Prof. L. Wiencke, Colorado School of Mines of Golden (Colorado), for the measurement of the atmospheric aerosol extinction profiles in
the Auger Experiment
07/2008 : ATMON08 (Atmospheric Monitoring for Astroparticle Physics), oral presentation “CLF at the Pierre Auger Observatory : hardware and analysis of
aerosol optical depth” for the Auger Collaboration
10/2008 : awarded of mention in occasion of “Giampietro Puppi” Prize of the Marino Golinelli Foundation, for a PhD thesis on a physics or astrophysics argument
12/2009 : score 38/40 for the FIRB 2008 research project presented as P.I.
05/2009 : RICAP09 (2nd Roma International Conference on Astro-Particle Physics), poster “Atmospheric Aerosol Characterization using the Central Laser Facility
at the Pierre Auger Observatory” for the Auger Collaboration
07/2009 : ICRC09 (31st International Conference on AstroParticle Physics (Polonia) : poster “Atmospheric Aerosol Measurements at the Pierre Auger Observatory”
for the Auger Collabration.
My research activity is related to the measurement of the atmospheric transparency for UHECR experiments, in order to obtain a correct estimate of the scientific
parameters of the shower primary particle. During my degree activity I worked on the installation and data analysis of the Raman LIDAR system of the Auger site. In
the following, during PhD and PostDoc activity I worked to measure the aerosol extinction profiles of the fluorescence light analyzing the Auger Central Laser
Facility data. For this reason I developed an original algorithm based on the comparison of the laser events registered by the fluorescence detector with simulations
produced in different atmospheric conditions, generated using a parametric model to describe the aerosol distribution in atmosphere. I also developed and
implemented the laser simulation code within the official Auger software. The analysis results are presently used to fill the official Auger Aerosol Database. Presently
I'm working on the data analysis of a new Auger laser system (eXtreme Laser Facility, XLF). In this last year I partecipated to the Jem-EUSO experimental proposal
for the observation of cosmic rays from space, to study the aspects of the atmospheric monitoring in a space based experiment using an onboard LIDAR system.
8 - Pubblicazioni scientifiche più significative del Coordinatore della Ricerca
nº
Pubblicazione
Titolo rivista
F.
GUARINO,
D.
D'URSO,
VALORE
L.,
M.
AMBROSIO,
C.
ARAMO,
A.
DELLA
SELVA,
A.
V.
YUSHKOV,
THE
ASTROPARTICLE
PHYSICS
1.
PIERRE AUGER COLLABORATION (J. ABRAHAM ET AL.). (2010). Update on the correlation of the highest
energy cosmic rays with nearby extragalactic matter. ASTROPARTICLE PHYSICS, vol. 34; p. 314-326, ISSN:
0927-6505
2. F. GUARINO, D. D'URSO, VALORE L., M. AMBROSIO, C. ARAMO, A. DELLA SELVA, O. PISANTI, G.
MIELE, C. A. MOURA, A. V. YUSHKOV, THE PIERRE AUGER COLLABORATION (J. ABRAHAM ET AL.)
NUCLEAR INSTRUMENTS &
METHODS IN PHYSICS RESEARCH.
3
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
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16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
(2010). The Fluorescence Detector of the Pierre Auger Observatory. NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS SECTION A, ACCELERATORS,
IN PHYSICS RESEARCH. SECTION A, ACCELERATORS, SPECTROMETERS, DETECTORS AND
SPECTROMETERS, DETECTORS
ASSOCIATED EQUIPMENT, vol. 620; p. 227-251, ISSN: 0168-9002
AND ASSOCIATED EQUIPMENT
A. YUSHKOV*, M. AMBROSIO, C. ARAMO, D. D', URSO, F. GUARINO, VALORE L. (2010). Precise
PHYSICAL REVIEW D, PARTICLES,
determination of muon and electromagnetic shower contents from a shower universality property. PHYSICAL
FIELDS, GRAVITATION, AND
REVIEW D, PARTICLES, FIELDS, GRAVITATION, AND COSMOLOGY, vol. 81; p. 123004-1-123004-10,
COSMOLOGY
ISSN: 1550-7998
F. GUARINO, D. D'URSO, VALORE L., M. AMBROSIO, C. ARAMO, A. DELLA SELVA, C. A. MOURA, A. V. ASTROPARTICLE PHYSICS
YUSHKOV, THE PIERRE AUGER COLLABORATION (J. ABRAHAM ET AL.) (2010). A Study of the Effect of
Molecular and Aerosol Conditions in the Atmosphere on Air Fluorescence Measurements at the Pierre Auger
Observatory. ASTROPARTICLE PHYSICS, vol. 33; p. 108-129, ISSN: 0927-6505
F. GUARINO, D. D'URSO, VALORE L., M. AMBROSIO, C. ARAMO, A. V. YUSHKOV, A. DELLA SELVA, THE PHYSICAL REVIEW LETTERS
PIERRE AUGER COLLABORATION (J. ABRAHAM ET AL.) (2010). Measurement of the Depth of Maximum of
Extensive Air Showers above 10^18 eV. PHYSICAL REVIEW LETTERS, vol. 104; p. 091101-1-091101-7, ISSN:
0031-9007
F. GUARINO, D. D'URSO, VALORE L., M. AMBROSIO, C. ARAMO, THE PIERRE AUGER
PHYSICS LETTERS. SECTION B
COLLABORATION (J. ABRAHAM ET AL.) (2010). Measurement of the energy spectrum of cosmic rays above
10^{18} eV using the Pierre Auger Observatory. PHYSICS LETTERS. SECTION B, vol. 685; p. 239-246, ISSN:
0370-2693
F. GUARINO, D. D'URSO, VALORE L., M. AMBROSIO, C. ARAMO, A. DELLA SELVA, A. V. YUSHKOV, THE NEW JOURNAL OF PHYSICS
PIERRE AUGER COLLABORATION (J. ABRAHAM ET AL.) (2010). The Northern Site of the Pierre Auger
Observatory. NEW JOURNAL OF PHYSICS, vol. 12; p. 1-21, ISSN: 1367-2630
F. GUARINO, D. D'URSO, VALORE L., M. AMBROSIO, C. ARAMO, A. DELLA SELVA, A. V. YUSHKOV, THE NUCLEAR INSTRUMENTS &
PIERRE AUGER COLLABORATION (J. ABRAHAM ET AL.) (2010). Trigger and aperture of the surface
detector array of the Pierre Auger Observatory. NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS
SECTION A, ACCELERATORS,
RESEARCH. SECTION A, ACCELERATORS, SPECTROMETERS, DETECTORS AND ASSOCIATED
EQUIPMENT; p. 29-39, ISSN: 0168-9002
AND ASSOCIATED EQUIPMENT
VALORE L., THE PIERRE AUGER COLLABORATION (2010). The exposure of the hybrid detector of the
ASTROPARTICLE PHYSICS
Pierre Auger Observatory
Astroparticle Physics, In Press. ASTROPARTICLE PHYSICS, ISSN: 0927-6505, doi:
10.1016/j.astropartphys.2010.10.001
F. GUARINO, D. DURSO, M. AMBROSIO, C. ARAMO, A DELLA SELVA, G. MIELE, O. PISANTI, VALORE L. PHYSICAL REVIEW D, PARTICLES,
(2009). Limit on the diffuse flux of ultra-high energy tau neutrinos with the surface detector of the Pierre Auger FIELDS, GRAVITATION, AND
Observatory. PHYSICAL REVIEW D, PARTICLES, FIELDS, GRAVITATION, AND COSMOLOGY, vol. 79; p. COSMOLOGY
102001-1-102001-15, ISSN: 1550-7998, doi: 10.1103/PhysRevD.79.102001
F. GUARINO, D. DURSO, M. AMBROSIO, C. ARAMO, A DELLA SELVA, G. MIELE, O. PISANTI, VALORE L. ASTROPARTICLE PHYSICS
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10.1016/j.astropartphys.2009.06.004
(2009). Upper limit on the cosmic-ray photon fraction at EeV energies from the Pierre Auger Observatory.
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F. GUARINO, D. D'URSO, M. AMBROSIO, C. ARAMO, A .DELLA SELVA, G. MIELE, O. PISANTI, VALORE PHYSICAL REVIEW LETTERS
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F. GUARINO, D. D'URSO, M. AMBROSIO, C. ARAMO, A. DELLA SELVA, G. MIELE, O. PISANTI, VALORE ASTROPARTICLE PHYSICS
L., AUGER COLLABORATION (2008). Correlation of the highest-energy cosmic rays with the positions of
nearby active galactic nuclei. ASTROPARTICLE PHYSICS; p. 188-204, ISSN: 0927-6505
F. GUARINO, D. D'URSO, M. AMBROSIO, C. ARAMO, A .DELLA SELVA, G. MIELE, O. PISANTI, VALORE PHYSICAL REVIEW LETTERS
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LETTERS; p. 061101-061108, ISSN: 0031-9007
(2008). Upper limit on the cosmic-ray photon flux above 10**19-eV using the surface detector of the Pierre
Auger Observatory. ASTROPARTICLE PHYSICS, vol. 29; p. 243-256, ISSN: 0927-6505
S.Y. BENZVI, R. CESTER, M. CHIOSSO, B.M. CONNOLLY, A. FILIPCIC, B.GARCIA, A. GRILLO, F.
NUCLEAR INSTRUMENTS &
GUARINO, M. HORVAT, M. IARLORI, C. MACOLINO, J.A.J. MATTHEWS, D. MELO, R. MUSSA, M.
MOSTAFA, J. PALLOTA, S. PETRERA, M. PROUZA, V. RIZI, M. ROBERTS, J.R. RODRIGUEZ ROJO, F.
SECTION A, ACCELERATORS,
SALAMIDA, M. SANTANDER, G. SEQUEIROS, A. TONACHINI, VALORE L., D. VEBERIC, S.
WESTERHOFF, D, ZAVRTANIK, M. ZAVRTANIK (2007). The Lidar System of the Pierre Auger Observatory. AND ASSOCIATED EQUIPMENT
NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH. SECTION A, ACCELERATORS,
SPECTROMETERS, DETECTORS AND ASSOCIATED EQUIPMENT, vol. A574; p. 171-184, ISSN: 0168-9002
F. GUARINO, D. DURSO, M. AMBROSIO, C. ARAMO, A DELLA SELVA, G. MIELE, O. PISANTI, VALORE
SCIENCE
L., AUGER COLLABORATION (2007). Correlation of the highest energy cosmic rays with nearby extragalactic
objects. SCIENCE, vol. 318; p. 938-943, ISSN: 0036-8075
F. GUARINO, G. LONGO, M. AMBROSIO, C, ARAMO, A. DELLA SELVA, G. MIELE, O. PISANTI, VALORE ASTROPARTICLE PHYSICS
L., D. D'URSO, AUGER COLLABORATION (2007). Anisotropy studies around the Galactic Centre at EeV
energies with the Auger Observatory. ASTROPARTICLE PHYSICS, vol. 27; p. 244-253, ISSN: 0927-6505
G. LONGO, G. MIELE, F. GUARINO, A. DELLA SELVA, C. ARAMO, D. D'URSO, O. PISANTI, VALORE L., ASTROPARTICLE PHYSICS
AUGER COLLABORATION (2006). An upper limit to the photon fraction in cosmic rays above 10**19-eV from
the Pierre Auger Observatory,. ASTROPARTICLE PHYSICS, vol. 27; p. 155-168, ISSN: 0927-6505
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4
25. S.Y. BENZVI, F. ARQUEROS, R. CESTER, M. CHIOSSO, B.M. CONNOLLY, B. FICK, A. FILIPˇC IˇC, B. GARCÍA, A. GRILLO, F.
GUARINO, M. HORVAT, M. IARLORI, C. MACOLINO, M. MALEK, J. MATTHEWS, J.A.J. MATTHEWS, D. MELO, R. MEYHANDAN, M.
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MALEK, J. MATTHEWS, J. A. J. MATTHEWS, D. MELO, R. MEYHANDAN, M. MOSTAFA, R. MUSSA, M. PROUZA, B. RAEFERT, V. RIZI, M.
ROBERTS, J. RODRIGUEZ, M. SANTANDER, G. SEQUEIROS, A. SMITH, P. SOMMERS, L. WIENCKE, VALORE L., D. VEBERIC, M.
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MATTHEWS, R. MEYHANDAN, M. MONASOR, M. MOSTAFA, P. PETRINCA, M. ROBERTS, P. SOMMERS, P. TRAVNICEK, VALORE L., V.
VERZI, L. WIENCKE
FOR THE PIERRE AUGER COLLABORATION (2005). The Central Laser Facility at the Pierre Auger Observatory. In: 29th International Cosmic
Ray Conference. Pune, 2005, p. 101-104
9 - Elenco delle Unità di Ricerca (UR)
nº Responsabile scientifico
Qualifica
Istituzione
Dip/Ist/Div/Sez Mesi/Persona
Dottore di ricerca Università degli Studi di NAPOLI "Federico II"
82
1. VALORE Laura
99
2. TONACHINI Aurelio Siro Dottore di ricerca Università degli Studi di TORINO
10 - Breve descrizione della Ricerca
Italiano
Il progetto di ricerca è articolato in tre fasi : messa a punto della strumentazione necessaria, campagne di presa dati in siti con caratteristiche ambientali diverse e
successiva analisi ed interpretazione dei dati. L'obiettivo del progetto è lo sviluppo di modelli previsionali che descrivano la stratificazione degli aerosol e lo studio
delle sistematiche legate a ciascuna tecnica di misura utilizzata, argomenti di grande interesse sia per la fisica dell'atmosfera che per la fisica dei raggi cosmici con
esperimenti da terra e dallo spazio.
In seguito alla costruzione del nostro sistema LIDAR presso l'Università di Torino, è prevista una fase iniziale di verifica del sistema (misure di prova, verifica
allineamento e funzionamento DAQ) alla quale seguirà una campagna di misure presso il CETEMPS de L'Aquila, al fine di calibrare adeguatamente il sistema
attraverso il confronto con il LIDAR della rete europea EARLINET il quale è soggetto, in maniera continua, a controlli di qualità. Le misure acquisite in Italia
permetteranno inoltre di studiare la stratificazione degli aerosol negli ambienti di misura, e di verificare la compatibilità delle nostre misure con sistemi ampiamente
testati.
A questa prima fase, seguiranno le campagne di misure in siti arido-desertici, in Colorado ed a seguire in Argentina. La scelta dell'altopiano a 1100 m s.l.m. nella
regione di Prowers County, 300km a sud di Denver, è fortemente motivata per due ragioni :
- per le caratteristiche arido/desertiche del sito, particolarmente interessante sia dal punto di vista climatologico che perché si tratta di un ambiente potenzialmente
ideale per la rivelazione dei raggi cosmici attraverso la luce UV emessa durante lo sviluppo degli sciami;
- per la presenza di una stazione già allestita per l'R&D del monitoraggio atmosferico per Auger Nord, in particolare di un telescopio per la rivelazione della luce
UV (Atmospheric Monitoring Telescope, AMT) che potrà essere utilizzato per rivelare a distanza la sorgente laser del LIDAR.
AMT misurerà la luce diffusa a grande angolo verso il telescopio, pertanto ogni misura deve prevedere una serie di shot verticali a bassa frequenza per il telescopio
AMT, seguiti da una serie di shot ad alta frequenza per il LIDAR. Il sistema LIDAR costruito per questo progetto potrà essere ospitato all'interno di un edificio dotato
di elettricità, collegamento ethernet e spazio per uffici. In caso di approvazione del progetto, il Prof. Lawrence Wiencke della Colorado School of Mines di Golden
(Colorado), con il quale è in corso da tempo una fruttuosa collaborazione scientifica, ha sin d'ora fornito una lettera, allegata a questo progetto, in cui formalmente
fornisce accoglienza e supporto. In particolare ha dato la sua disponibilità all'uso del telescopio AMT, ad ospitare presso l'edificio citato la strumentazione, almeno
un ambiente di lavoro e tutto il supporto logistico necessario, ed eventualmente ad utilizzare il suo laboratorio presso la Colorado School of Mines. Nel corso di una
visita presso tale Università (Febbraio 2009) è stato possibile visionare la strumentazione già esistente (AMT) nonché gli edifici che eventualmente potranno fare da
base per questo progetto.
La seconda campagna di misure in sito arido-desertico avverrà in Argentina, presso il sito di Auger Sud, dove è già presente un massiccia rete di strumenti per il
monitoraggio atmosferico (Central Laser Facility, eXtreme Laser Facility, LIDAR Raman, 4 LIDAR elastici) che consentiranno una presa dati contemporanea di piu'
sistemi per comprendere a pieno le sistematiche legate alle varie tecniche di misura: almeno due tecniche per l'analisi dei dati del LIDAR elastico (Fernald e Klett),
analisi dati del LIDAR Raman, due metodi l'analisi dei dati AMT (di cui uno, sviluppato a Napoli per il CLF di Auger, basato sul confronto tra dati reali e
simulazioni generate in varie condizioni di attenuazione da aerosol, e l'altro basato sul confronto di ciascun evento con una notte di riferimento in cui l'attenuazione
da aerosol possa essere considerato trascurabile). Le misure con il nostro sistema avverranno fuori dal campo di vista di Auger per non interferire con la normale
presa dati.
La strumentazione che verrà costruita dalle unità di ricerca coinvolte in questo progetto è un sistema LIDAR, con sogente laser Nd:YAG a 355 nm opportunamente
depolarizzata per una diffusione isotropa dei fotoni, e dotato di moduli di acquisizione sia per il canale elastico che per i due canali Raman (N2, H2O). La stazione
LIDAR potrà acquisire a diversi angoli zenitali, mediante l'uso di uno specchio piano orientabile posto a 45° rispetto alla sorgente e allo specchio ricevente,
riflettente sia la luce emessa dal laser sia quella diffusa dall'atmosfera verso lo specchio ricevente. Sul banco ottico sarà inoltre installato un sistema di calibrazione
assoluta della potenza del laser di alta precisione per avere un riferimento in energia attendibile. Sia il sistema LIDAR che AMT potranno essere automatizzati per
poter acquisire da remoto.
Il telescopio AMT della Colorado School of Mines per la rivelazione della luce di fluorescenza è costituito da strumentazione recuperata dall'esperimento HiRes : il
ricevitore è composto da uno specchio sferico di 2 metri quadri diviso in quattro segmenti nel cui piano focale è posta una camera equipaggiata con tre colonne di
sedici fotomoltiplicatori con finestra esagonale, sufficienti alla rivelazione delle tracce laser verticali. Tra la camera e gli specchi è posto un filtro UV centrato a 355
nm per abbattere qualsiasi inquinamento luminoso. Il filtro, come il laser, è centrato a tale lunghezza d'onda per porsi al centro dello spettro della luce di
fluorescenza, che va dai 300 ai 420nm. Il sistema è equipaggiato con la necessaria elettronica di lettura ed il sistema di acquisizione dati con il relativo software.
L'apparato non richiederà modifiche rispetto al disegno attuale.
La sorgente laser Nd:YAG a 355 nm, di potenza media 7 mJ, acquistata per questo progetto, fungerà da sorgente sia per i LIDAR che per AMT, pertanto dovrà poter
funzionare sia in regime di bassa frequenza di ripetizione (circa 1 Hz) per poter essere rivelato da AMT, sia in regime di alta frequenza (qualche centinaia di Hz) per
permettere al ricevitore LIDAR di raccogliere un sufficiente numero di fotoni in un tempo di acquisizione ragionevole.
In conclusione, le misure raccolte durante i 3 anni del progetto consentiranno di studiare in dettaglio la stratificazione degli aerosol in differenti ambienti (Italia,
Colorado, Argentina) e di sviluppare modelli previsionali, di stimare il profilo di estinzione degli aerosol e la sua dipendenza da fattori quali temperatura, umidità,
precipitazioni e vento, e più in generale la relazione tra copertura nuvolosa, aerosol e variazioni climatiche. Inoltre saranno studiate le sistematiche legate alle varie
tecniche di misura usate : inversione del segnale LIDAR (sia sfruttando le potenzialità della tecnica Raman, che utilizzando esclusivamente il canale elastico allo
scopo di valutare le condizioni ottimali di applicabilità) e confronto tra le tecniche basate sulla misura della luce retrodiffusa - tecnica LIDAR - e della luce diffusa
lateralmente - tecnica AMT.
Un confronto tra le informazioni estratte indipendentemente dall'AMT e dal LIDAR in condizioni atmosferiche diverse permetterà di studiare le sistematiche
introdotte dalla scarsa conoscenza dello strato degli aerosol più vicino a terra. Tale strato risulta difficilmente investigabile con gli strumenti attualmente in uso nei
principali esperimenti per la rivelazione dei raggi cosmici di alta energia: esso infatti risulta essere fuori dal campo di vista dei telescopi di fluorescenza (e quindi
5
anche di AMT) sia per via della curvatura terrestre sia perché generalmente l'asse ottico dei telescopi ha un piccolo angolo di elevazione rispetto all'orizzontale;
anche i segnali LIDAR possono essere difficilmente interpretati nel corto range (qualche centinaio di metri) per via del fatto che la luce retrodiffusa dall'atmosfera è
solo parzialmente contenuta nel campo di vista in questa zona (caratteristica nota come overlap function). Tipicamente con il LIDAR si estrapola l'estinzione degli
aerosol a terra a partire dalla quota piu' bassa alla quale quest'ultima è stata misurata, assumendo che sia costante fino al suolo e quindi ipotizzando di fatto
l'esistenza di uno strato di rimescolamento degli aerosol. Effettuare pero' una serie di shot in orizzontale permetterebbe al LIDAR elastico di stimare accuratamente
la lunghezza di attenuazione orizzontale degli aerosol a terra. D'altra parte, l'analisi delle misure di AMT puo' essere condotta assumendo un modello parametrico di
profilo di estinzione degli aerosol : tale modello puo' essere vincolato in alto dal profilo di estinzione misurato dal LIDAR Raman, ed in basso dalla misura di
attenuazione orizzontale a terra misurata con il LIDAR elastico, direzionando il fascio orizzontale verso AMT. In questo modo si può cercare la parametrizzazione
dell'andamento dell'estinzione tra questi due punti, che consenta di ricostruire al meglio l'energia emessa dalla sorgente laser.
Dal punto di vista piu' strettamente meteo-climatologico, si provvederà all'applicazione della versione del modello WRF (Weather Research Forecast) accoppiata con
un modello chimico, WRF-Chem, allo scopo di calcolare l'evoluzione dei campi meteorologici e della concentrazione di aerosol in atmosfera. WRF-Chem è in grado
di simulare l'emissione, il trasporto, il rimescolamento e le reazioni chimiche dei gas traccianti e degli aerosol in atmosfera in funzione dei campi meteorologici e
della relativa stabilità dell'aria; sarà così possibile un confronto tra i risultati ottenuti con le simulazioni WRF-Chem e le misure di distribuzione di aerosol in
atmosfera ottenute sperimentalmente dal LIDAR. Inoltre verranno compiuti studi per valutare la sensibilità del modello WRF-Chem al variare delle
parametrizzazioni imposte per la microfisica (includendo
esplicitamente i processi che coinvolgono il vapor d'acqua, le nubi e le precipitazioni). I dati misurati dal LIDAR saranno poi assimilati per l'impostazione delle
condizioni iniziali e al contorno che guidano il modello WRF-Chem, in modo da evidenziare l'impatto delle stesse sulla performance del modello. La presa dati
LIDAR nei diversi siti (Torino, L'Aquila, Prowers County - Colorado, Malargue - Argentina) permetterà uno studio di tali modelli con condizioni atmosferiche e
orografiche molto diverse, consentendo di analizzare la versatilità del modello nei confronti delle condizioni meteorologiche, caratteristica estremamente importante
in vista delle simulazioni a scala climatica.
In conclusione le misure effettuate consentiranno di approfondire notevolmente le conoscenze sia dal punto di vista climatologico che dal punto di vista della fisica
dei raggi cosmici. Tutte le informazioni raccolte saranno inoltre catalogate in un database che ne permetterà la diffusione alla comunità scientifica.
Inglese
The research project is structured in three phases : setup of the instrumentation, measurement campaigns conducted in different environments and finally data
analysis and interpretation of the results. The aim of the project is the definition of predictive models describing the aerosol stratification and the study of the
systematics related to each analysis technique used; these arguments are of great interest both in the community of atmospheric physics and in the community of
cosmic rays ground-based and space-based experiments.
After the construction of the LIDAR system at the University of Torino, a first phase of checks of the system (test measurements, alignment checking and DAQ
functioning) will be followed by a measurement campaign at the CETEMPS L'Aquila, in order to adequately calibrate the system by comparison with the LIDAR of
the EARLINET european network which is subject to coninuous quality checks and therefore is a perfect reference. The measurements performed in Italy will also
allow to study the stratification of aerosols in the measurements sites, and to verify the compatibility of our measurements with systems extensively tested.
This first phase will be followed by measurement campaigns in arid-desert like sites, first in Colorado and then in Argentina. The choice of the site at 1100 m a.s.l. in
the region of Prowers County, 300km south of Denver, is highly motivated for two reasons:
- because of the arid-desert like characteristics of the site, particularly interesting both from the climatological point of view and since it is a potentially ideal
environment for the detection of cosmic rays through the UV light emitted during the development of showers;
- because of the presence of a station for the R&D of atmospheric monitoring systems for Auger North, in particular of a telescope for the detection of UV light
(Atmospheric Monitoring Telescope, AMT), which can be used to detect the LIDAR laser source from 30 kmR.
AMT will measure the light scattered at large angles towards the telescope, therefore any measurement must include a group of low-frequency vertical shots to be
detected by AMT, followed by a group of high-frequency shots for the LIDAR. The LIDAR system built for this project will be housed in a building having electricity,
ethernet connection and room for offices. In case of approval of the project, Prof. Lawrence Wiencke of Colorado School of Mines in Golden (Colorado), with whom
a long fruitful scientific collaboration is ongoing since 2005, has already provided a letter, attached to this project, formally providing full support to our project. In
particular he grants his availability in using the AMT telescope, in housing the LIDAR system in the building, in providing at least a working room and all the
logistical support needed. It will be also possible to use his laboratory at the Colorado School of Mines. During a visit to the School of Mines (February 2009) it was
possible to view the instruments (AMT) and buildings that will be the basis for this project.
The second measurement campaign in arid-desert like environment will take place in Argentina, at the Auger Observatory, where it is already operating a massive
network of instruments for the atmospheric monitoring (Central Laser Facility, eXtreme Laser Facility, Raman LIDAR, four elastic LIDARs) that will allow us to
perform a contemporaneous data taking to fully understand the systematics related to the different measurement techniques we will use: at least two techniques for
elastic LIDAR data analysis (Fernald and Klett), Raman LIDAR data analysis, two side-scattering measurement data analysis methods (one based on simulations in
different aerosol attenuation conditions, developed in Naples for the Auger CLF data analysis, and the other one on the comparison of real data with data from a
clear night in which the aerosol attenuation could be neglected). Measurements with our system will take place outside the field of view of Auger to avoid interference
with the Auger data taking.
The instrumentation will consist in a LIDAR system with a 355 nm Nd:YAG laser source appropriately depolarized to obtain an isotropic distribution of photons, and
with acquisition modules for the elastic channel and for the two Raman channels (N2, H2O). The LIDAR station can acquire at different zenith angles, through the use
of an orientable plane mirror placed at 45 ° with respect to the source and receiver in the mirror, reflecting both the light emitted from the laser and the light diffused
from the atmosphere to the receiver. The optical bench will also house the system for the absolute energy calibration of the laser source needed to obtain a high
precision reference in energy. Both the LIDAR system that AMT can be automated in order to acquire remotely.
The AMT telescope for the detection of fluorescence light is built with spares recovered from the HiRes experiment : the receiver is composed of a 4-segment
spherical mirror of 2 m2 , and of a camera equipped with three columns of sixteen photomultiplier with hexagonal window in its focal plane, that are sufficient for the
detection of the vertical laser tracks. Between the camera and the mirrors a UV filter centered at 355 nm is positioned to avoid light pollution. The filter, as the
laser, is centered at this wavelength to be positioned right in the center of the fluorescence light spectrum, ranging from 300 to 420 nm. The system is equipped with
the electronic readout needed and the data acquisition system with the related software. The system doesn't require any modification with respect to the present
design.
The 355 nm Nd:YAG laser source, with average power of 7 mJ, purchased for this project, will serve as a source for both LIDAR and AMT, so it will need to operate
in a low repetition rate (about 1 Hz) to be revealed by AMT, and in high-frequency rate (few hundreds of Hz) to allow the LIDAR receiver to collect a sufficient
number of photons in a reasonable acquisition time.
In conclusion, the data collected in the three years of this project will allow a detailed study of the aerosol stratification in different environments (Italy, Colorado,
Argentina) and to develop predictive models, to estimate the aerosol extinction profiles and its dependence on factors like temperature, humidity, rain and wind, and
more in general to study the relationship between cloud coverage, aerosols and climatical changes. Moreover, a detailed study of the systematics related to various
measurement techniques will be performed : inversion of the LIDAR signal (both using the Raman method, and using only the elastic channel with the aim of
evaluating the best conditions of applicability) and comparison between the methods that use backscattering (LIDAR) and side-scattering (AMT) light.
A comparison between the information obtained independenlty from AMT and LIDAR in different atmospheric conditions will allow to stdy the systemtics introduced
by the poor knowledge of the aerosol layer near ground. This layer is difficult for investigation with the instruments usually adopted in the principal cosmic rays
experiments : it lays outside the field of view of fluorescence telescopes (and therefore this is valid also for AMT) because of the Earth curvature and because usually
the axis of these telescopes has a small angle of elevation from ground; also LIDAR signals are hardly interpreted in the short range (a few hundreds of meters)
because the backscattering light is only partially in the field of view of this region (overlap function). Typically using the LIDAR signals the aerosol extinction at
ground can be extrapolated starting from the lowest measured value, assuming it to be constant from this lower point to ground, and therefore hypotizing the
existence of a mixing layer of the aerosols. In this scene, a series of measurements performed horizontally with the LIDAR will allow a precise estimate of the aerosol
horizontal attenuation length at ground. On the other hand, the AMT data analysis can be performed assuming a parametric model for the aerosol extinction profile :
this model can be bound at higher altitudes by the extinction profile measured by the Raman LIDAR, and at lower altitudes by the aerosol attenuation length
measured by the elastic LIDAR, orienting the horizontal laser beam towards AMT. In this way the parametrization of the aerosol extinction behaviour between these
two points can be investigated, in order to reconstruct the energy emitted by the laser source with the best achievable accuracy.
From the climatological point of view, the units will provide to the application of WRF (Weather Research Forecast) coupled with a chemical model to the data,
6
WRF-Chem, in order to calculate the evolution of meteorological fields and the concentration of aerosols in the atmosphere. WRF-Chem is able to simulate the
emission, transport, mixing and chemical reactions of tracer gases and aerosols into the atmosphere as a function of meteorological fields and the relative air
stability, therefore the results obtained by the WRF-Chem simulations and measurements of atmospheric aerosol distribution obtained experimentally by the LIDAR
can be compared. In addition, studies will be made to assess the sensitivity of the WRF-Chem model to changes imposed in the microphysics parameterizations
(including processes involving water vapor, clouds and precipitations). The LIDAR data will then be treated to set initial and boundary conditions to drive the
WRF-Chem, to highlight their specific impact on the performances of the model. The LIDAR data taken in different sites (Torino, L'Aquila, Prowers County Colorado, Malargue - Argentina) will allow a study of these models with very different weather conditions and topography, allowing the analysis of the versatility of
the model against the weather, a fundamental issue in view of the scale climate simulations.
In conclusion, the measurements will advance considerably the knowledge from the climatological point of view and for the physics of cosmic rays. All information
collected will also be collected in a database that will allow diffusion to the scientific community.
11 - Stato dell'arte e riferimenti bibliografici
Italiano
Dal punto di vista della fisica dei raggi cosmici, tutti gli esperimenti basati sulla rivelazione di luce UV prodotta in aria, sia da terra che dallo spazio, necessitano di
un accurato monitoraggio atmosferico. In particolare per quanto riguarda la luce di fluorescenza prodotta, l'atmosfera agisce come un calorimetro comunemente
utilizzato negli esperimenti agli acceleratori : la quantità di luce di fluorescenza prodotta in atmosfera durante lo sviluppo degli sciami dalle particelle cariche è
proporzionale all'energia rilasciata nel mezzo, eccezion fatta per una piccola correzione necessaria per tenere conto della componente non elettromagnetica.
L'energia rilasciata nel calorimetro e la sua propagazione dal punto di produzione al punto di osservazione dipendono dalle caratteristiche del mezzo. E' quindi
indispensabile caratterizzare l'atmosfera e monitorare nel tempo la copertura nuvolosa, l'opacità delle nuvole e soprattutto la distribuzione di aerosol. Negli
esperimenti sui raggi cosmici gli strumenti usati per monitorare la componente degli aerosol in atmosfera sono tipicamente LIDAR. Nel caso di esperimenti basati
sulla rivelazione della luce di fluorescenza (HiRes, Auger, Telescope Array), una tecnica ben consolidata e largamente usata è basata sulla stima dell'attenuazione
della luce prodotta da una sorgente laser UV di intensità nota (Central Laser Facility, [CLF2006],[ValoreRicap2009]), in questo caso la luce è rivelata dai telescopi
usati per la rivelazione degli sciami, consentendo allo stesso tempo la calibrazione completa dell'apparato e delle tecniche di ricostruzione. Nello specifico
l'esperimento Auger, che si pone all'avanguardia per il proprio complesso sistema di monitoraggio atmosferico (in particolare per quanto concerne gli aerosol,
[ValoreICRC2009]), ha tra i suoi strumenti quattro LIDAR elastici ed un LIDAR Raman [LIDAR2007]. I quattro sistemi LIDAR elastici sono posti ai bordi del
rivelatore; poiché le sorgenti laser utilizzate possono interferire con la regolare presa dati, il loro uso è limitato all'esterno del campo di vista dei rivelatori di
fluorescenza (FD); per validare la rivelazione di eventi di particolare interesse è permessa una scansione all'interno del campo di vista degli FD, in direzione
dell'evento (nota come Shoot the Shower). Come per i LIDAR elastici, anche il LIDAR Raman puo' acquisire dati solo in una breve finestra temporale prima e dopo la
presa dati FD per non interferire con la presa dati; pertanto la caratterizzazione dei profili di estinzione da aerosol in funzione del tempo su base oraria è fornita
dall'analisi dati del Central Laser Facility.
Come descritto nel lavoro della collaborazione Auger [AerAuger2010], trascurare l'effetto della presenza degli aerosol produrrebbe una sottostima dell'energia della
particella primaria che ha ha generato lo sciame. Tale sottostima e' in media il 12%, con delle code del 25-30% per gli eventi di energia piu' alta che sono
tipicamente a distanze maggiori dal rivelatore e quindi la cui ricostruzione è maggiormente influenzata dalle condizioni di trasparenza atmosferica. Al workshop
Atmon08, tenutosi a Praga nel luglio 2008, sono stati messi a confronto i differenti approcci utilizzati negli esperimenti presenti e di prossima generazione ed è
risultato chiaro che la necessità di avere sistemi di monitoraggio atmosferico affidabili, in grado di tracciare la distribuzione di aerosol troposferici e dunque il loro
potere di assorbimento della radiazione di fluorescenza, la copertura nuvolosa e l'opacità ottica delle nuvole, nonchè parametri quali densità e temperatura
dell'atmosfera in funzione della quota è un'esigenza comune, così come sono comuni tutte le problematiche e le incertezze relative alle tecniche e alle modellistiche
utilizzate.
Dal punto di vista della fisica dell'atmosfera, la modellistica che studia gli effetti degli aerosol sul clima ha mostrato che gli aerosol troposferici e stratosferici hanno
un ruolo rilevante nel bilancio del forcing radiativo sulla superficie terrestre e nell'atmosfera. Al forcing radiativo dovuto agli aerosol, ad esempio, possono essere
attribuite alcune variazioni climatiche del passato. Oltre agli effetti climatici ci sono altre distinte influenze degli aerosol atmosferici, per esempio sul ciclo
idrologico: il raffreddamento introdotto sulla terra e sugli oceani comporta una stabilizzazione dell'atmosfera, che si traduce in meno nuvole e precipitazione. Alcuni
effetti diretti degli aerosol sono sulla precipitazione e riguardano i processi complessi relativi alla formazione della pioggia. Le proprietà radiative degli aerosol
troposferici sono state oggetto di studi che, negli ultimi anni, hanno mostrato quanto è importante il loro ruolo, infatti è evidente che anche regioni lontane dai grandi
agglomerati urbani possono essere soggette a importanti variazioni climatiche e meteorologiche locali legate alla produzione di black-carbon proveniente dalla
combustione della biomassa o da incendi di vegetazione. Nel lavoro di Anderson [ANDER2003] si è messo in evidenza come la variabilità spazio temporale degli
aerosol troposferici sia assai pronunciata, investendo scale spaziali che, per esempio, non sono risolte nei modelli globali e richiedono una modellistica ad alta
risoluzione. L'effetto climatico finale degli aerosol risulta da una media effettuata sia nel tempo che nello spazio di quantità che sono fortemente variabili. La
variabilità spaziale si riferisce a scale tipiche di 10-100km e scale temporali tipiche di 2-48 ore nella bassa troposfera. Queste scale sono ben diverse da quelle cui
viene generalmente riferita la massa d'aria (tipica scala circa 1000 km) dentro la quale gli aerosol vengono trattati fondamentalmente come traccianti. Ciò impone
che per una corretta trattazione degli effetti degli aerosol troposferici è necessario andare ad alte risoluzioni sia per i modelli di chimica che di trasporto degli
aerosol. Questa variabilità mette bene in evidenza la necessità della sinergia che deve esistere fra osservazioni (da terra, da aereo e da satelliti) ed i modelli. Ad ogni
modo, negli ultimi anni, le osservazioni del carico di aerosol troposferici, della loro distribuzione geografica, e delle loro proprietà fisico-chimiche si sono
sostanzialmente estese, permettendo una migliore comprensione degli effetti radiativi diretti ed indiretti degli aerosol, inoltre sono stati implementati modelli
meteorologici accoppiati con la chimica in modo da tener conto del contributo della composizione chimica e delle sue variazioni sulla dinamica atmosferica.
In questo campo le principali linee di ricerca si sono sviluppate:
1. nell'utilizzo di strumentazione avanzata per la misura della composizione degli aerosol;
2. nell'esecuzione di campagne di osservazione intensiva per studiare i processi e le proprietà degli aerosol in diversi regimi e situazioni geofisiche;
3. nel creare e migliorare reti di strumenti a terra per la misura continua, su differenti scale geografiche e di tempo, degli aerosol e delle loro proprietà radiative.
4. nello sviluppo di modelli meteorologici numerici accoppiati con la chimica
I punti 2 e 3 sono il segnale che l'osservazione delle proprietà ottiche degli aerosol riveste un ruolo centrale. Infatti le indeterminazioni che ancora affliggono
l'impatto dei gas serra e degli aerosol sul clima devono essere ridotte per permettere di fare previsioni affidabili sulla sua evoluzione futura. Tali indeterminazioni
sono dominate dalla componente aerosol e quindi la stima del loro effetto sul clima deve tener conto dell'alta variabilità spaziale e temporale della distribuzione degli
aerosol e delle loro proprietà, così come delle interazioni con le nuvole, e la precipitazione. In conclusione un miglioramento delle conoscenze richiede stime più
precise del ruolo degli aerosol nei bilanci radiativi dell'atmosfera, il che rende necessario avere osservazioni piu' accurate, su scale temporali lunghe, ed estese per
dislocazione geografica. Cio' comporta la necessità, dal punto di vista osservativo [CCSP 2009], di migliorare ed espandere le reti di osservazione da terra che
misurano le proprietà ottiche degli aerosol per la validazione delle osservazioni da satellite. Tali osservazioni potrebbero essere potenzialmente più efficaci, se sulla
stessa base di routine, si potessero misurare altri parametri di rilievo (per esempio, il profilo del contenuto di vapor d'acqua). Per questo scopo, le informazioni
necessarie possono essere fornite da osservazioni a terra, estese nel tempo e geograficamente, con strumentazione LIDAR. In particolare il LIDAR Raman operante a
355nm fornisce una misura diretta dei profili verticali dei coefficienti di estinzione e retrodiffusione degli aerosol ed anche una misura della concentrazione del vapor
d'acqua. Quindi, in qualsiasi sito geografico, è di sicuro interesse per la comunità dei fisici dell'Atmosfera, la disponibilità di un sistema di osservazione delle
proprietà ottiche degli aerosol e del contenuto di vapor d'acqua nello strato limite planetario (PBL) e nella troposfera.
I modelli atmosferici accoppiati con la chimica possono essere usati per lo studio e la previsione dell'inquinamento atmosferico a scala globale e regionale.
Nell'ambito di questo progetto, sarà applicato il modello WRF, (Weather Research and Forecasting) disponibile al sito (http://www.wrf-model.org). I processi fisici
sviluppati in WRF sono relativi alla microfisica, alla parametrizzazione dei cumuli, allo strato limite planetario (PBL), alla superficie e alla radiazione ad onda corta
e ad onda lunga. Il modello WRF accoppiato con la chimica, chiamato WRF/Chem (Weather Research and Forecasting- Chemistry), è descritto in Grell et al.,
(2005). WRF/Chem è stato arricchito introducendo la chimica relativa alla fase dei gas, il trattamento degli aerosol e gli schemi della fotolisi (Fast et al. (2006)), ed
è stato inoltre applicato allo studio dell'origine e dell'evoluzione di eventi di alta concentrazione di ozono in condizioni di cielo sereno durati 6 giorni, in una delle
aree più popolose e ad alto tasso di crescita, come Città del Messico (Tie et al. (2007)). Le grandezze atmosferiche meteorologiche e la composizione chimica
nell'atmosfera di Città del Messico sono anche state studiate da Zhang et al. (2009) che hanno eseguito alcune simulazioni con il modello accoppiato WRF/Chem alla
risoluzione di 3 km con lo scopo di esaminare l'evoluzione dei campi di temperatura, umidità relativa, velocità del vento, concentrazione di inquinanti gassosi (CO,
O3, NO, NO2, and NOy) durante la campagna sperimentale MCMA-2006/MILAGRO. Il confronto tra le simulazioni del modello e le misure sperimentali eseguite a
terra per mezzo di una rete di monitoraggio della qualità dell'aria sono presentate e discusse, con risultati soddisfacenti.
Niwano et al. (2007) hanno invece valutato la capacità di WRF/Chem nel riprodurre i profili verticali dell'inquinamento estivo dovuto all'ozono (O3) nella regione di
Kanto in Giappone, usando per il confronto i dati di ozono osservati con un LIDAR durante due differenti episodi estivi
7
Bibliografia:
CLF2006 : "The Central Laser Facility at the Pierre Auger Observatory", B. Fick et al., JINST (2006) P11003
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Fast, J. D., de Foy, B., Rosas, F. A., Caetano, E., Carmichael, G., Emmons, L., Mckenna, D., Mena, M., Skamarock, W., Xie, T., Coulter, R. L., Barnard, J. C.,
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M. Niwano, M. Takigawa, M. Takahashi, H. Akimoto, M. Nakazato, T. Nagai, T. Sakai, and Y. Mano, 2007, Evaluation of Vertical Ozone Profiles Simulated by
WRF/Chem Using Lidar-Observed Data, SOLA, Vol. 3, 133􀈂136, doi:10.2151/sola.2007-034
Tie, X., S. Madronich, G.-H. Li, Z. Ying, R. Zhang, A. R. Garcia, J.Lee-Taylor, and Liu, Y., 2007, Characterizations of chemical oxidants in Mexico City: A regional
chemical dynamical model (WRFChem) study, Atmos. Environ., 41, 1989-2008.
Y. Zhang, M. K. Dubey, S. C. Olsen, J. Zheng, and R. Zhang, 2009, Validation of WRF/Chem simulations during MILAGRO, Atmos. Chem. Phys., 9, 3777-3798.
Inglese
From the point of view of the physics of cosmic rays, all the experiments based on the detection of UV light produced in air, both with ground-based and with
space-based detectors, require a careful monitoring of the atmosphere. In particular in the experiments based on fluorescence light the atmosphere acts as a
calorimeter commonly used in experiments with accelerators: the amount of fluorescence light produced in the atmosphere during the development of showers
induced from charged particles is proportional to the energy released in the atmosphere, except for a small correction needed to account for the non-electromagnetic
component. The energy released in the calorimeter and its propagation from the point of emission to the point of observation depends on the characteristics of the
medium. Therefore it is essential to characterize the atmosphere and monitor the cloud coverage, the optical depth of the clouds and especially the distribution of
aerosols.
In cosmic rays experiments, the instruments usually used to monitor the aerosol attenuation in atmosphere are typically LIDAR. In the case of experiments based on
the detection of fluorescence light (HiRes, Auger, Telescope Array), a well tested and widely used technique is based on the estimate of the attenuation of light
produced by a UV laser source of known geometry and intensity (Central Laser Facility, [CLF2006], [ValoreRicap2009]); in this case the light is revealed by the
same telescopes used for the detection of showers, and it allows a full calibration of the apparatus and tests of the techniques of reconstruction. Specifically, the Auger
experiment, which has a huge and complex system for atmospheric monitoring (in particular concerning aerosols, [ValoreICRC2009]), has among its instruments
four elastic LIDARs and a Raman LIDAR [LIDAR2007] . The four elastic LIDAR systems are placed at the edges of the detector, and since the laser sources used may
interfere with the regular data taking, their use is limited outside the field of view of the fluorescence detectors (FD); to validate the detection of events of particular
interest a scan in the field of view of the FD, in the direction of the event , is allowed (Shoot the Shower). As for the elastic LIDARs, also the Raman LIDAR can
acquire only during a short time window before and after the FD data taking to avoid interference with the normal Auger data taking. Therefore, the hourly
characterization of aerosol extinction is provided by the analysis of the Central Laser Facility data.
As described in the work of the Auger collaboration [AerAuger2010], neglecting the effect of the presence of aerosols would produce an underestimate of the energy
of primary particle that generated the shower. This underestimate is on average the 12%, and reaches the 25-30% at higher energies when showers typically fall at
greater distances from the detector and are more influenced by the atmospheric transparency conditions. During the Atmon08 workshop, held in Prague in July 2008,
different approaches used in present and future experiments were compared and it was made clear the need for reliable atmospheric monitoring systems, capable of
tracking the distribution of tropospheric aerosols, their power of absorption of the fluorescence radiation, the cloud coverage, the optical opacity of the clouds, as
well as parameters such as density and temperature of the atmosphere as a function of altitude.
From the point of view of atmospheric physics, the modelling studying the effects of aerosols on climate has shown that the tropospheric and stratospheric aerosols
play a significant role in the budget of the radiative forcing on the Earth's surface and atmosphere. As an example, some of the past climatic variations can be related
to the radiative forcing due to aerosols. In addition to climate changes, other distinct influences can be due to atmospheric aerosols, as an example on hydrological
cycle: cooling introduced on the land and oceans leads to a stabilization of the atmosphere, and this leads to fewer clouds and precipitation. Aerosols also play some
direct role on the complex processes related to the formation of rain. The radiative properties of tropospheric aerosols have been the subject of studies in recent years
that have shown just how important their role is, in fact it is clear that also regions located far from large urban areas may be subject to major changes in climate
related to local weather-related production of black carbon from the burning of biomass or vegetation fires. The work of Anderson [ANDER2003] has shown how the
space-time variability of tropospheric aerosols is very pronounced, investing spatial scales, for example, not resolved in global models and that requires a local high
modelling resolution. The final climatic effect due to aerosols is evaluated from an average in both time and space of highly variable parameters. The spatial
variability has a typical scale of 10-100km, while typical time scales are of 2-48 hours in the lower troposphere. These scales are very different from those generally
related to air mass (typically about 1000 km wide) into which aerosols are treated essentially as tracers. This means that for a proper discussion of the effects of
tropospheric aerosols is necessary to obtain to higher resolutions for both chemical and aerosol transport models. This variability clearly highlights the need for
synergy between observations (from ground, airborne and satellites) and models. However, in recent years, observations of the tropospheric aerosols, their
geographical distribution, and their physical and chemical properties were substantially extended, allowing a better understanding of the direct and indirect radiative
effects of aerosols, also have been implemented weather models coupled with the chemistry to take into account the contribution of chemical composition and its
variations on atmospheric dynamics.
In this field, the main research lines have been developed in :
1. the use of advanced instrumentation to measure the aerosol composition;
2. carrying out intensive observation campaigns to study the processes and properties of aerosols in different geophysical situations;
3. creating and improving networks of ground-based instruments to perform continuous measurement in different geographical and timing scales, of aerosols and
their radiative properties.
4. the development of numerical meteorological models coupled with chemistry
Sections 2 and 3 are the signal that the observation of the optical properties of aerosols plays a central role. In fact, the uncertainties that still affect the impact of
greenhouse gases and aerosols on the climate needs to be reduced in order to make reliable predictions about its future evolution. These uncertainties are dominated
by the aerosol component, therefore the estimation of their effects on climate must take into account the high spatial and temporal variability of the aerosols
distribution and their properties, as well as interactions with clouds and precipitation. In conclusion, to improve the present knowledge it is required a more precise
estimate of the role of aerosols in the radiative balance of the atmosphere, and therefore it is necessary to have more accurate observations, on long time scales and
in extended geographical locations. This requires that, in terms of observations [CCSP, 2009], it is needed to improve and enlarge the network of Earth stations to
measure the optical properties of aerosols for the validation of satellite observations. Such observations could potentially be more effective if on the same routine,
would it be possible to measure relevant parameters as the water vapour content. For this purpose, the necessary information on ground, extended in time and
geographically, can be provided by LIDAR instruments. In particular, the Raman LIDAR operating at 355 nm provides a direct measurement of the vertical profiles of
aerosol extinction and backscattering coefficients and also a measurement of the water vapour concentration. Therefore, whatever is the geographical site, is of great
interest for the physics of atmosphere community the availability of a system for the observation of the optical properties of aerosols and water vapour content in the
planetary boundary layer (PBL) and in the troposphere .
Atmospheric models coupled with chemistry could be used to study and forecast air pollution at global and regional scale. In our activity the dynamical model WRF,
Weather Research and Forecasting model will be applied (http://www.wrf-model.org). The physics package in WRF consists of microphysics, cumulus
parameterization, planetary boundary layer (PBL), land surface, longwave and shortwave radiation. The fully coupled chemistry within the WRF model, referred to
as WRF/Chem, (Weather Research and Forecasting- Chemistry) model was described in Grell et al., (2005). Fast et al. (2006) updated WRF/Chem by incorporating
complex gas-phase chemistry, aerosol treatments, and photolysis schemes.
Tie et al. (2007) used WRF/Chem model to study the origin and evolution of high ozone events under clear sky conditions during 6 days, in one of the world's most
populous and fastest growing megacities, Mexico City. The atmospheric meteorological variables and chemical composition in Mexico City is also investigated by
Zhang et al. (2009) that performed simulations using the fully coupled WRF/Chem model at 3-km resolution to examine the temperature, relative humidity, wind, and
gaseous criteria pollutants (CO, O3, NO, NO2, and NOy) during the MCMA-2006/MILAGRO field campaign. Comparison of the model simulations with
measurements from the ground-based air quality monitoring network was presented and discussed, with favorable results.
Niwano et al. (2007) evaluated the ability of WRF/Chem, to reproduce vertical profiles of summertime ozone (O3) pollution over the Kanto region of Japan using
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lidar-observed O3 data collected in two different summertime episodes.
Bibliografy:
CLF2006 : "The Central Laser Facility at the Pierre Auger Observatory", B. Fick et al., JINST (2006) P11003
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by Pierre Auger Collaboration, Astropart.Phys.33:108-129,2010
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Change Research. [Mian Chin, Ralph A. Kahn, and Stephen E. Schwartz (eds.)]. National Aeronautics and Space Administration, Washington, D.C., USA., 2009./
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Wiedinmyer, C., and Madronich S., 2007, A meteorological overview of the MILAGRO field campaigns, Atmos. Chem. Phys., 7, 2233-2257
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WRF/Chem Using Lidar-Observed Data, SOLA, Vol. 3, 133􀈂136, doi:10.2151/sola.2007-034
Tie, X., S. Madronich, G.-H. Li, Z. Ying, R. Zhang, A. R. Garcia, J.Lee-Taylor, and Liu, Y., 2007, Characterizations of chemical oxidants in Mexico City: A regional
chemical dynamical model (WRFChem) study, Atmos. Environ., 41, 1989-2008.
Y. Zhang, M. K. Dubey, S. C. Olsen, J. Zheng, and R. Zhang, 2009, Validation of WRF/Chem simulations during MILAGRO, Atmos. Chem. Phys., 9, 3777-3798.
12 - Ruolo di ciascuna unità operativa in funzione degli obiettivi previsti e relative modalità di
integrazione e collaborazione
Italiano
Le due unità di ricerca che partecipano a questo progetto sono composte da :
° Dr. Laura Valore (coordinatore unità di Napoli e responsabile del progetto)
° Dr. Fausto Guarino, Ricercatore presso il Dipartimento di Scienze Fisiche dell'Universita' “Federico II” di Napoli
° Dr. Aurelio Siro Tonachini (coordinatore unità di Torino)
° Prof. Claudio Cassardo, Professore Associato presso il Dipartimento di Fisica Generale dell'Università di Torino
° Dr. Silvia Ferrarese, Ricercatrice presso il Dipartimento di Fisica Generale dell'Università' di Torino
I coordinatori delle unità di Torino e Napoli svolgono attualmente ricerca nell'ambito della fisica dei raggi cosmici di energia ultraelevata all'interno
dell'Esperimento Pierre Auger di Malargue, Argentina. All'interno di tale progetto i membri delle unità di ricerca partecipano attivamente al task di monitoraggio
atmosferico, in particolare:
- il gruppo di Napoli ha partecipato nel 2004 all'installazione del LIDAR Raman in collaborazione con il gruppo de L'Aquila, e dal 2005 ad oggi lavora attivamente
all'analisi dei dati del Central Laser Facility (CLF) e dell'eXtreme Laser Facility (XLF), in collaborazione con la Colorado School of Mines di Golden (Colorado),
producendo le stime dei profili di estinzione degli aerosol inseriti nel database ufficiale della Collaborazione Pierre Auger per la ricostruzione degli eventi. A tale
scopo, il coordinatore dell'unità di Napoli ha sviluppato un algoritmo originale per la misura del profilo di estinzione degli aerosol basato sul confronto dei dati CLF
con simulazioni di eventi laser rilevati a distanza. Attualmente il gruppo è coinvolto anche nel monitoraggio atmosferico della proposta di esperimento Jem-EUSO
che rileverà dallo spazio gli sciami indotti in atmosfera da raggi cosmici di altissima energia.
- il coordinatore del gruppo di Torino ha costruito il sistema di quattro LIDAR elastici comandati da remoto dell'Osservatorio Auger: la realizzazione di tale
sistema, avvenuta presso il laboratorio tecnologico dell'INFN di Torino, l'Osservatorio astronomico di Pino Torinese e sul sito di Auger Sud, ha comportato un
intenso lavoro sia dal punto di vista meccanico ed elettronico che da quello di programmazione per la realizzazione del software di movimentazione, di acquisizione
dati e di analisi degli stessi con differenti tecniche. Gli altri membri del gruppo svolgono attività di ricerca nella fisica dell'atmosfera e del clima, nella meteorologia,
e in particolare nella modellistica atmosferica numerica. In questo campo hanno applicato il modello atmosferico a mesoscala WRF (Weather Research Forecast),
progettato per scopi di ricerca e di previsione, a casi-studio realmente avvenuti, calcolando l'evoluzione temporale di alcuni campi di interesse meteorologico e di
alcune grandezze nello strato superficiale atmosferico, utili a valutare i bilanci di energia (radiazione) e massa (idrologia).
Il lavoro suddiviso tra le unità di ricerca, come da schema seguente, tenendo conto delle specifiche competenze.
Durante il primo anno, il gruppo di Napoli provvederà allo sviluppo del software necessario per simulare e ricostruire gli eventi registrati da AMT per essere pronti
alla fase di analisi dati dell'anno seguente, ed inoltre collaborerà con il gruppo di Torino all'acquisizione ed analisi dati LIDAR in Italia. Nella seconda fase si
occuperà dell'analisi dei dati acquisiti con l'Atmospheric Monitoring Telescope (AMT) prodotti dalla sorgente laser posta ad una distanza di circa 30 km, la cui
potenza dovrà essere accuratamente monitorata per avere un riferimento in energia attendibile, attraverso l'uso di una sonda appropriata. Il gruppo si occuperà di
ricavare il profilo di estinzione degli aerosol utilizzando le due tecniche ampiamente testate nell'Esperimento Auger, ovvero misurando la frazione di luce diffusa
lateralmente verso il telescopio, attenuata dagli aerosol presenti in atmosfera nel tragitto dalla sorgente al rivelatore; saranno inoltre studiate le sistematiche legate
alle tecniche e saranno effettuati confronti con i risultati ottenuti con la tecnica LIDAR basata sulla retrodiffusione della luce. Per quanto concerne la
strumentazione, l'unità di Napoli provvederà anche all'acquisto della sorgente laser e del sistema di calibrazione in energia.
Il gruppo di Torino si occuperà della progettazione e dello sviluppo di un telescopio LIDAR direzionabile per compiere misure sia in verticale che in orizzontale
mediante la sorgente laser UV. Il LIDAR che si intende costruire sarà dotato di un sistema di acquisizione a tre canali, uno elastico e due Raman (N2 e H2O).
L'acquisizione a diversi angoli zenitali sarà resa possibile mediante l'uso di uno specchio piano orientabile, posto a 45° rispetto alla sorgente e allo specchio
ricevente, riflettente sia la luce emessa dal laser sia quella diffusa dall'atmosfera verso lo specchio ricevente. Il gruppo si prenderà cura inoltre del confronto tra
diverse tecniche di inversione del segnale LIDAR sia sfruttando le potenzialità della tecnica Raman sia utilizzando esclusivamente il canale elastico allo scopo di
valutare le condizioni ottimali di applicabilità delle diverse tecniche. In particolare, si potranno compiere studi su tecniche di inversione di Fernald con il rapporto di
Fernald variabile.
Parallelamente, il gruppo di Torino si prenderà cura dell'applicazione della versione del modello WRF (Weather Research Forecast) accoppiata con un modello
chimico, WRF-Chem, allo scopo di calcolare l'evoluzione dei campi meteorologici e della concentrazione di aerosol in atmosfera. Il gruppo si occuperà del confronto
tra i risultati ottenuti con le simulazioni WRF-Chem e le misure di concentrazione di aerosol in atmosfera ottenute sperimentalmente dal LIDAR. I dati misurati dal
LIDAR saranno poi assimilati per l'impostazione delle condizioni iniziali e al contorno che guidano il modello WRF-Chem. La presa dati LIDAR nei diversi siti
(Torino, L'Aquila, Prowers County - Colorado, Malargue - Argentina) permetterà uno studio di tali modelli con condizioni atmosferiche e orografiche molto diverse.
Riassumendo, le due unità coinvolte in questo progetto collaboreranno dunque alla realizzazione ed al test del sistema nella prima fase (primo anno); durante il
secondo anno, una volta inviato il sistema in Colorado, le specifiche competenze acquisite negli esperimenti di fisica dei raggi cosmici permetteranno ai due gruppi di
effettuare analisi contemporanee con tecniche differenti del profilo di estinzione degli aerosol, della distribuzione spaziale e temporale degli aerosol, della copertura
nuvolosa e dell'opacità ottica delle nuvole, nonché di stimare le sistematiche legate alle diverse tecniche al fine di valutarne l'effettiva applicabilità. Durante il terzo
anno, al trasferimento in Argentina seguiranno altre campagne di presa dati in contemporanea alla strumentazione di Auger, della quale entrambe le unità hanno
pieno controllo. Le informazioni raccolte durante l'intero progetto in ciascuna campagna di presa dati LIDAR (Italia, Colorado, Argentina) verranno inoltre
utilizzate come input per il modello WRF-Chem al fine di calcolare l'evoluzione dei campi meteorologici e della concentrazione di aerosol in atmosfera.
9
Tutte le informazioni raccolte saranno catalogate in un database che ne permetterà la diffusione alla comunità scientifica.
Inglese
The two reserach units involved in this project are composed by :
° Dr. Laura Valore (coordinator of the Napoli unit and P.I. of this project)
° Dr. Fausto Guarino, Researcher at Dipartimento di Scienze Fisiche of the University “Federico II” of Napoli
° Dr. Aurelio Siro Tonachini (coordinatore of the Torino unit)
° Prof. Claudio Cassardo, Associate Professor at Dipartimento di Fisica Generale of the University of Torino
° Dr. Silvia Ferrarese, Researcher at Dipartimento di Fisica Generale of the University of Torino
The coordinators of the research units of Torino and Napoli are presently involved in the filed of UHECR physics of the Pierre Auger Experiment taking place in
Malargue, Argentina. Within this experiment, the members of the research units are actively working in the atmospheric monitoring task, in particular :
- the Napoli group took part in the installation of the Raman LIDAR at Malargue during 2004, in collaboration with the L'Aquila group, and is presently involved in
the data analysis of the Central Laser Facility (CLF) and of the eXtreme Laser Facility (XLF), in collaboration with the Colorado School of Mines of Golden
(Colorado), producing the aerosol extinction profiles that fill the official aerosol database of the Pierre Auger Collaboration for shower events reconstruction. For
this aim, the coordinator of the Napoli unit developed an original algorithm for the measurement of the aerosol extinction profiles based on the comparison of CLF
data with simulations generated of distant laser events. Presently the group is involved also in the atmospheric monitoring program of the experimental proposal
Jem-EUSO, that will observe from space the air showers induced in atmosphere from high energy cosmic rays.
- the coordinator of the Torino group has built a system of four elastic Auger LIDARs remotely controlled : the realization of this big system, carried on at the
technological laboratory of INFN in Torino, the astronomical observatory of Pino Torinese and on the Auger Observatory site, needed an intense work from the point
of view of the mechanics and electronics, and also from the software point of view, in particular to program and realize the handling, DAQ and data analysis with
different techniques. The other members of the Torino group are presently involved in research activity in the field of atmospheric physics and climatology,
meteorology and in particular in the numerical atmospherical modellistic. In this field the group applied the mesoscale atmospheric model WRF (Weather Research
Forecast), designed for research and forecasting items, to case-studies really happened, by calculating the timing evolution of some fields of meteorological interest
and of some quantities in the superficial atmospherical layer, useful to evaluate the balance of energy (radiation) and mass (hydrology).
The work is divided between the research units as in the following, taking into account the specific skills :
During the first year, the Napoli group will provide to the development of the needed software to simulate and reconstruct the AMT events, in order to be ready for the
analysis of the following year data; the group will also collaborate with the Torino group to the LIDAR acquisition and data analysis in Italy. Durante the second
year the group will analyze the data acquired with the Atmospheric Monitoring Telescope (AMT) produced by the laser source at a distance of about 30 km, whose
power should be carefully monitored to have a reliable energy reference, using an appropriate probe. The group will measure the aerosol extinction profiles using the
two techniques extensively tested in the Auger Experiment, therefore measuring the fraction of side-scattered laser light towards the telescope, attenuated by aerosols
in the atmosphere on the way from the source to the detector. The systematics related to the techniques will be studied and comparisons with the results obtained with
the LIDAR technique based on the backscatter of light will be performed. Regarding the instrumentation, the unit of Naples will also provide the laser system and the
energy calibration probe.
The Torino group will design and develop a directionable LIDAR telescope with a UV laser source to take vertical and horizontal measurements. The LIDAR will
have three channels of acquisition : an elastic channel and two Raman channels (N2 and H2O). The acquisition at different zenith angles will be made possible
through the use of an adjustable plane mirror, positioned at 45 ° with respect to the laser source and mirror receiver, reflecting both the light emitted from the laser
and the light backscattered from the atmosphere to the receiving mirror. The group will also take care of the comparison between different techniques of LIDAR
signal inversion, both exploiting the powerful Raman technique and also using only the elastic channel in order to evaluate the best conditions for the applicability of
these different techniques. In particular, technical studies on inversion techniques with Fernald method and using the variable Fernald ratio will be carried out.
In parallel, the Turin group will take care of applying the version of WRF (Weather Research Forecast) coupled with a chemical model, WRF-Chem, in order to
calculate the evolution of meteorological fields and the concentration of aerosols in the atmosphere. The group will focus on the comparison between the results
obtained with the WRF-Chem simulations and measurements of atmospheric aerosol concentration obtained experimentally by the LIDAR. The data measured by the
LIDAR will then be treated for setting initial and boundary conditions that drive the WRF-Chem model. The LIDAR data taken in different sites (Turin, L'Aquila,
Prowers County - Colorado, Malargue - Argentina) will allow a study of these models with very different weather conditions and topography.
In summary, the two units involved in this project will work in conjunction to realize and test the LIDAR system in the first phase (first year); during the second year,
one the system will be shipped to Colorado, the specific skills acquired in cosmic ray physics experiments will allow the two groups to carry out analysis of
contemporaneous measurements with different techniques to obtain the aerosol extinction profiles, the spatial and temporal distribution of aerosols, cloud coverage
and optical opacity of the clouds and to estimate the systematics related to the different techniques in order to assess their applicability. During the third year, the
system will be transferred to Argentina and other campaigns of measurements will be done simultaneously with the Auger instrumentation, on which both units have
full control. During the whole project, the information collected by the LIDAR in Italy, Colorado and Argentina will be used as input to the WRF-Chem model to
calculate the evolution of meteorological fields and the concentration of aerosols in the atmosphere.
All information collected will be cataloged in a database that will allow distribution to the scientific community.
13 - Obiettivi finali che il progetto si propone di raggiungere
Italiano
Lo scopo del progetto presentato è la caratterizzazione delle proprietà ottiche dell'atmosfera nel vicino UV e lo sviluppo di modelli predittivi attraverso campagne di
misura in luoghi con caratteristiche ambientali diverse : in Italia, in ambiente urbano (Torino) e rurale (CETEMPS, L'Aquila) ed in Colorado ed Argentina in
ambiente arido-desertico. Gli obiettivi primari consistono nello sviluppo di modelli che descrivano la stratificazione degli aerosol negli ambienti di misura, la sua
dipendenza da temperatura, vento, precipitazioni, umidità, lo studio della copertura nuvolosa e della profondità ottica delle nuvole, ed il confronto tra diverse
tecniche di analisi per evidenziarne i punti di forza, i limiti e le sistematiche. I risultati cui si mira hanno diretta applicazione in due settori di fondamentale
importanza nell'attuale quadro di ricerca internazionale: lo studio delle caratteristiche atmosferiche, in particolare degli aerosol, ha sia uno stretto legame con la
comprensione dei complessi meccanismi che determinano le variazioni climatiche del nostro pianeta, sia, insieme alle nuvole, ricoprono un ruolo chiave negli
osservatori volti allo studio dei raggi cosmici di energia elevata (E~10^12 eV) e ultraelevata (E>10^18 eV) da terra e dallo spazio. In particolare nelle osservazioni
di raggi cosmici con rivelatori di luce di fluorescenza a terra (Auger, HiRes, Telescope Array) è fondamentale una corretta misura dell'attenuazione della luce di
fluorescenza dovuta alla presenza di aerosol atmosferici, per poter risalire all'energia del primario che ha generato lo sciame. Allo stesso tempo lo studio della
copertura nuvolosa e della profondità ottica delle nuvole stesse, è altrettanto importante poiché determina la distorsione del profilo dello sciame. L'identificazione e
lo studio della copertura nuvolosa ha un ruolo fondamentale negli esperimenti di prossima generazione dallo spazio, poiché l'osservazione degli sciami atmosferici
dall'alto implicherà un'area osservata di gran lunga maggiore, con piu' strati di nuvole, in diverse aree del campo di vista del rivelatore, la cui profondità ottica sarà
un parametro fondamentale per tenere in conto la distorsione dei profili osservati e comprendere i limiti e le possibilità di ricostruzione degli eventi.
Dal punto di vista climatologico, osservazioni mirate a lungo termine e sopratutto di alta precisione possono dare stime più certe sul ruolo degli aerosol nei bilanci
radiativi dell'atmosfera, in differenti condizioni ambientali. La variabilità spazio-temporale degli aerosol troposferici è assai pronunciata, investendo scale spaziali
tipiche di 10-100 km e scale temporali di 2-48 ore. Una tale variabilità non può essere risolta da modelli globali, ma necessita di una modellizzazione locale
vincolata alle caratteristiche geografiche e climatiche specifiche del luogo, rendendo indispensabili campagne di misure mirate. Inoltre, le indeterminazioni che
ancora affliggono le stime dell'impatto degli aerosol sul clima devono essere necessariamente ridotte per permettere di fare previsioni affidabili sulla sua evoluzione
futura. Lo studio della modellistica con WRF/Chem e il confronto tra le simulazioni e i dati misurati vuole valutare la capacità di WRF/Chem a riprodurre
l'evoluzione dello stato delle nubi e delle concentrazioni di aerosol in atmosfera e in particolare vuole conoscere le impostazioni e le parametrizzazioni che
riproducono al meglio i dati sperimentali, al fine anche di migliorare le previsioni della concentrazione di aerosol in atmosfera. Si vuole inoltre migliorare le
possibilità del modello utilizzando i dati LIDAR per costruire le condizioni iniziali e al contorno.
Gli strumenti tipicamente utilizzati dalla comunità scientifica atmosferica sono i LIDAR (light detection and ranging), telescopi dotati di una sorgente laser di cui si
10
osserva la luce diffusa
all'indietro dall'atmosfera. Esistono due tipologie di LIDAR : un primo tipo che sfrutta la diffusione elastica della luce emessa dalla sorgente laser sulle molecole
d'aria (LIDAR Elastico), ed un secondo tipo che sfrutta l'effetto Raman, un processo di diffusione anelastica in cui la luce subisce una variazione in frequenza
caratteristica della molecola con cui ha interagito (LIDAR Raman). Di particolare interesse sono i risultati ottenuti con i LIDAR Raman, poichè consentono di
misurare la distribuzione degli aerosol con un numero minore di assunzioni sulle proprietà atmosferiche. L'applicazione di tale tecnica negli esperimenti di raggi
cosmici è tuttavia limitata dalla necessità di lunghi tempi di acquisizione che interferiscono con la normale presa dati dell'esperimento a causa dell'esiguità della
sezione d'urto Raman; in quest'ottica un sistema LIDAR elastico ha il vantaggio di essere meno invasivo, ma i risultati di analisi sono soggetti a maggiori ambiguità.
Nel caso di esperimenti basati sulla rivelazione di luce di fluorescenza (Auger, HiRes, Telescope Array) è largamente usata un'altra tecnica basata sulla stima
dell'attenuazione della luce prodotta da una sorgente laser UV di intensità nota (Central Laser Facility, o CLF) posta nel campo di vista dei rivelatori di
fluorescenza. Alla conferenza Atmon08 l'applicazione di tale approccio è stata presentata anche dalla collaborazione Veritas, che utilizza un rivelatore Cherenkov
per astronomia gamma. Il vantaggio di tale tecnica è che in questo caso la luce è raccolta dagli stessi telescopi usati per la rivelazione degli sciami, consentendo al
medesimo tempo la calibrazione completa del rivelatore se l'energia della sorgente laser è nota. Presi singolarmente, questi strumenti e tecniche presentano vantaggi
e limitazioni distinti. Le sistematiche legate alle tecniche basate sull'uso dei vari strumenti non sono ancora del tutto note. Tali indeterminazioni possono però essere
ridotte attraverso uno studio simultaneo con i vari apparati della stessa massa d'aria e da un successivo confronto dei risultati.
Gli obiettivi del progetto in conclusione sono : la parametrizzazione della stratificazione degli aerosol in funzione di fattori atmosferici e stagionali e
caratterizzazione dell'atmosfera in ambiente arido/desertico e lo studio dell'indeterminazione dovuta dall'uso della parametrizzazione rispetto alla misura puntuale
sulla propagazione della luce di fluorescenza prodotta da raggi cosmici di altissima energia; la misura dell'estinzione verticale degli aerosol con un errore del 5-15%
e misura del coefficiente di retrodiffusione degli aerosol a 355 nm con un errore del 10-20%; la misura del rapporto di mescolamento del vapor d'acqua tra 100 m e 8
km con un errore entro il 20%; lo studio delle sistematiche legate alle tecniche di misura e verifica delle ipotesi alla base delle differenti tecniche utilizzate; studio
della modellistica con WRF/Chem, contributo alle osservazioni sistematiche da terra delle proprieta' ottiche degli aerosol anche per la validazione delle osservazioni
da satellite.
Inglese
The purpose of the proposed project is to characterize the optical properties of the atmosphere in the near UV and the development of predictive models through
measurement campaigns in areas with different environmental characteristics: in Italy, in urban (Turin) and rural areas (CETEMPS, L ' Aquila) and in Colorado and
Argentina, in arid-desert like environments. The main targets are the development of models that describe the stratification of aerosols in the areas of measurement,
its dependence on temperature, wind, precipitation, humidity, the study of the cloud coverage and of the clouds optical depths and the comparison of different
techniques of analysis to highlight their points of strength, limitations and systematics. The results aimed have direct application in two fields that are of fundamental
importance in the present context of the international research: the study of characteristics of atmospheric aerosols is closely related to the understanding of the
complex mechanisms that determine the climatic variations of our planet, and aerosols and clouds play also a key role in the observations and study of high energy
cosmic rays (E>10^12 eV) and UHECR (E> 10^18 eV) both from ground-based and space-based experiments.
In particular the observations of cosmic rays with fluorescence light detectors on ground (Auger, HiRes, Telescope Array) needs a precise measurement of the
attenuation of the fluorescence light due to the presence of atmospheric aerosols, to correctly reconstruct the energy of the primary particle that induced the observed
shower. At the same time the study of the cloud coverage and of the optical depth of the clouds themselves is equally important because it determines a distortion of
the shower profile. The identification and study of cloud coverage plays a key role in the next generation space-based experiments, since the observation of
atmospheric showers from the top of the atmosphere means a much larger area to be observed, with possibly more layers of clouds in different points of the field of
view of the detector, whose optical depth needs to be taken into account to identify the distortion of the profiles observed in order to understand the limits and
possibilities of reconstruction of the events.
From a climatological point of view, targeted and long-term observations with high accuracy can provide more reliable estimates on the role of aerosols in the
radiative balance of the atmosphere, under different environmental conditions. The spacing and timing variability of tropospheric aerosols is quite pronounced,
investing typical spatial scales of 10-100 km and time scales of 2-48 hours. Such a variability can not be resolved by global models, but requires a local modeling
constrained to specific geographical and climatic features of the site and requires campaigns of dedicated measurements. In addition, the uncertainties that still affect
the estimates of the impact of aerosols on climate have to be reduced to make reliable predictions about its future evolution. The study of the modeling with
WRF-Chem and the comparison between the simulated and measured data will be used to assess the ability of WRF-Chem to reproduce the evolution of the state of
clouds and aerosol concentrations in the atmosphere and in particular to fix the settings and parameterizations best reproducing the experimental data, in order also
to improve the predictions of the concentration of aerosols in the atmosphere. The model will be improved, fixing the initial and boundary conditions using LIDAR
data.
Concerning the tools typically used by the scientific community for aerosol measurements, these are usually LIDAR telescopes (light detection and ranging) equipped
with a laser source, that look at the backscattered laser light from the atmosphere. There are two types of LIDAR: a first type that uses the elastic scattering of light
emitted by the laser source on the molecules of air (Elastic LIDAR), and a second type that uses the Raman effect, an inelastic scattering process in which light suffers
a change in wavelength typical of the specific molecule with which the light interacted (Raman LIDAR). Of particular interest are the results obtained with the Raman
LIDAR, as they can measure the distribution of aerosols with no assumptions about atmospheric properties. The application of this technique in experiments with
cosmic rays is limited by the need for long acquisition times, due to the Raman poor cross section, because it would interfere with the normal data-taking of the
experiment. In this context an elastic LIDAR system has the advantage of being less invasive, but the results of the analysis are subject to more ambiguity. In the case
of experiments based on the detection of fluorescence light (Auger, HiRes, Telescope Array) is widely used a method which is based on the estimate of the attenuation
of light produced by a UV laser source of known intensity (Central Laser Facility, CLF ) located in the field of view of fluorescence detectors. The conference
Atmon08 the application of this approach was also presented by Veritas collaboration, using a Cherenkov detector for gamma astronomy. The advantage of this
technique is that in this case the light is collected by the same telescope used for the detection of showers, at the same time, allowing a full calibration of the detector
if the energy of the laser source is well known. Taken individually, these instruments and methods all have their advantages and limitations. The systematics related to
each technique based on the use of various instruments are not yet fully understood. These uncertainties can however be reduced with a simultaneous study of the
same air mass with the various devices and a subsequent comparison of the results.
The objectives of the project in conclusion are: the parametrization of the stratification of aerosols as a function of weather and seasonal factors, the characterization
of the atmosphere in arid-desert like environments, the study of uncertainty introduced by the use of the parametrization with respect to an accurate measurement on
the propagation of the fluorescence light produced by high energy cosmic rays, the estimate of the vertical aerosol extinction with an error of 5-15% , the aerosol
backscattering coefficient at 355 nm with an error of 10-20%, the measurement of the mixing ratio of water vapor between 100 m and 8 km with an error within 20%,
the study of the systematics related to the techniques of measurement and verification of the assumptions underlying the different techniques used, the study of the
modeling with WRF-Chem, contribution to systematic observations on ground of the aerosol optical properties for the validation of satellite observations.
14 - Risultati attesi dalla ricerca, e loro interesse per l'avanzamento della conoscenza e per le eventuali
potenzialità applicative
Italiano
Questo programma di ricerca si propone di raccogliere una quantità di dati tale da permettere una comprensione precisa delle tecniche di misura utilizzate e delle
loro sistematiche, di sviluppare modelli previsionali della stratificazione degli aerosol atmosferici in ambienti diversi, di studiare la copertura nuvolosa, nonché la
profondità ottica delle nuvole, il tutto nel vicino UV. I risultati saranno di interesse sia per la comunità della fisica dei raggi cosmici, che per la fisica dell'atmosfera,
pertanto saranno raccolti in un database che ne permetterà la diffusione alla comunità scientifica.
Molti degli esperimenti di fisica dei raggi cosmici di alta energia, sia attuali che in fase di definizione per il prossimo decennio, si basano, in parte o totalmente, sulla
rivelazione di luce UV (Cherenkov o di fluorescenza) in atmosfera. In questo contesto l'atmosfera gioca un doppio ruolo: se da un lato è responsabile della
produzione della luce UV, dall'altra è la causa della sua attenuazione lungo il percorso dalla sorgente al rivelatore. Più il volume d'aria osservato dai rivelatori è
grande, più il fenomeno di attenuazione risulta importante. E' perciò necessità comune a tutti gli esperimenti, sia da terra che dallo spazio, l'individuazione di metodi
per la caratterizzazione dell'atmosfera durante la raccolta dei dati. Le variazioni dell'opacità atmosferica sono dominate dagli aerosol, che costituiscono la
componente più variabile sia in termini di concentrazione che di composizione. La correzione di energia di uno sciame cosmico dovuta alla presenza di aerosol
atmosferici alle energie piu' elevate puo' arrivare anche al 25% nel caso dell'Esperimento Auger [The Pierre Auger Collaboration, Astropart.Phys.33:108-129,2010]
11
ed addirittura al 50% per HESS nelle condizioni peggiori, che si riflette in un errore sul flusso misurato dalle sorgenti del 15% [S. Nolan, ATMON08]. Nel caso di
esperimenti di fisica dei raggi cosmici di energia ultraelevata, la risoluzione in energia non è fine a se stessa, ma ha profonde implicazioni di natura cosmologica :
una delle ipotesi sulla natura della radiazione cosmica primaria ad E >10^18 eV è che sia dominata da protoni di origine extragalattica, e che questi siano attenuati
nel mezzo interstellare per l'interazione con i fotoni della radiazione cosmica di fondo producendo un brusco aumento di pendenza (cutoff) nello spettro differenziale
dei raggi cosmici primari noto come limite GZK. L'esistenza di tale cutoff è stata recentemente verificata dall'Esperimento Auger. L'assorbimento dei raggi cosmici
nel mezzo interstellare fa sì che l'Universo diventi opaco ai protoni primari di energia superiore al cutoff, e cio' corrisponde ad un orizzonte entro il quale è possibile
individuare le sorgenti. Pertanto è fondamentale minimizzare l'effetto dovuto agli aerosol poiché gli aerosol costituiscono una delle fonti di indeterminazione
maggiore sull'energia. L'effetto della copertura nuvolosa e di nubi di diversa profondità ottica sugli sciami è altrettanto importante : le nuvole possono bloccare o
aumentare artificialmente la quantità di luce che raggiunge i telescopi, nonché distorcerne il profilo, il che ha implicazioni dirette sulla misura dell'energia e della
composizione in massa. Anche in questo campo, lo studio dell'effetto delle nuvole sulla rivelazione della luce UV da sciami è ancora da comprendere a pieno.
E' evidente dunque l'interesse che ricoprono campagne di misure mirate alla comprensione delle sistematiche legate alle diverse tecniche di misura dell'attenuazione
da aerosol e delle nubi, e possibilmente alla loro riduzione, nonché all'individuazione di relazioni tra aerosol e vento, precipitazioni, umidità, temperatura. La
possibilità di sviluppare modelli previsionali della stratificazione di aerosol ricopre un ambito più ampio, spaziando dalla rivelazione dei raggi cosmici agli studi
climatici: le indeterminazioni che ancora affliggono le stime dell'impatto degli aerosol sul clima devono essere necessariamente ridotte per permettere di fare
previsioni affidabili sulla sua evoluzione futura. Non esistono tuttora modelli in grado di tener conto della complessa variabilità degli aerosol sia dal punto di vista
spaziale (su scala di qualche decina di chilometri) che temporale (su scala di qualche ora). Di conseguenza è molto sentita dalla comunità scientifica la necessità di
arricchire la rete di osservazioni sistematiche, allo scopo di raccordarsi con osservazioni da satellite e per sviluppare modelli più completi e che siano in grado di
fare previsioni.
In particolare, una migliore conoscenza delle capacità del modello WRF a riprodurre lo stato delle nubi e la concentrazione di aerosol in atmosfera potrà essere utile
per le applicazioni del modello nella previsione meteorologica. Al momento infatti, il modello WRF è utilizzato come modello a mesoscala nella previsioni
meteorologiche a scala regionale, ma il suo accoppiamento con la chimica è ancora in fase di studio, per cui WRF/Chem non viene usato in modo operativo.
L'apporto della componente chimica nel modello potrebbe permettere un miglioramento sensibile nelle previsioni meteorologiche.
Inoltre, è importante valutare l'affidabilità e la versatilità del modello in diversi casi di clima e/o opacità atmosferica poiché questo lo renderà particolarmente adatto
a simulazioni di clima futuro, in cui le condizioni di concentrazione di aerosol in atmosfera potrebbero differenziarsi da quelle attuali.
Concludendo, sia gli studi climatici che quelli sui raggi cosmici richiedono quindi una miglior comprensione del ruolo e delle variazioni degli aerosol e delle nubi,
pertanto il progetto proposto risponderebbe in modo adeguato a tali necessità fornendo un database di dati e risultati a disposizione della comunità scientifica.
Inglese
The aim of this research project is to collect an amount of data which will allow to obtain a complete knowledge of the measurement techniques involved and of their
systematics, to develop models to forecast the atmospheric aerosol stratification in different environments, to study the cloud coverage and the cloud optical depth in
the near UV range. Results will be of interest for both the cosmic ray physics community and the atmospheric physics one. Therefore, the data will be organized in an
open database which will allow to share them with the scientific community.
Most of the high energy cosmic ray experiments that are currently taking data or have been designed for the next decade are (partially or totally) based on the
detection of UV light (emitted as Cherenkov of fluorescence light) in atmosphere. In this context the atmosphere plays a twofold role: from one side it is responsible of
the UV light production; from the other one it causes its attenuation along the path between the UV source and the detector. As the air volume observed by the
detectors becomes larger, the attenuation phenomenon becomes more and more relevant. Therefore, identifying valid methods for the characterization of the
atmosphere during the data taking is a common need for both ground-based and space-based experiments.
The atmospheric opacity variations are dominated by aerosols, which constitute the most variable component in terms of concentration and composition. The cosmic
ray shower energy correction due to aerosols can reach values as large as 25% at very high energies, as it happens in the Auger Experiment [The Pierre Auger
Collaboration, Astropart.Phys.33:108-129,2010], or even 50% for Hess in the worst cases. This induces a 15% error in the measured flux [S. Nolan, ATMON08]. In
the specific case of ultra-high energy cosmic ray experiments, the energy resolution has deep implications of cosmological nature. One of the hypotheses about the
nature of cosmic radiation above 10^18 eV is that these are dominated by protons of extragalactic origin, and these are attenuated by the interstellar medium because
of their interaction with the CMBR. This interaction would produce a sharp steepness (a cutoff) in the cosmic ray differential spectrum, known as GZK limit. The
existence of this cutoff has been recently proven by the Auger Experiment. The absorption of cosmic rays in the interstellar medium make the Universe opaque for
proton primaries with an energy larger than the cutoff energy. This corresponds to a horizon within which it is possible to locate the sources. Therefore it is
fundamental to minimize the uncertainties on the energy estimation, and aerosols are one of the most relevant sources. The effect of the cloud coverage and the effect
of clouds of different optical depths on showers is also important : clouds can block or even artificially enhance the amunt of UV light reaching the telescopes, and
also they can distort the light profile, and this has direct implications on energy and mass composition measurements. Also in this case, the study of the effect of
clouds on the detection of showers UV light is still to be fully comprehended.
It is thus evident that measurement campaigns to study and possibly reduce the systematics related to different measurement techniques of aerosols and clouds are of
particular interest. The characterization of the relation between aerosol distribution and wind, rainfall, humidity, and temperature are rather interesting as well. The
possibility of developing forecast models of aerosol stratification is of particular importance in the cosmic ray detection field as well as for climatology studies: the
uncertainties which affect the estimation of the impact of aerosols on the climate need to be reduced in order to make more reliable predictions on their evolution. At
present models taking into account the complex variability of aerosols in space (of the order of tens of kilometers) and in time (on a hour scale) do not exist. The
scientific community thus needs to enlarge the monitoring device network in order to have a better agreement with satellite observations and develop more complete
and reliable forecast models.
In particular, a better knowledge of the capability of the WRF model to reproduce cloud properties and aerosol concentration in atmosphere will be useful for the
application of these models for meteorological forecast. In fact, at present the WRF model is used as a mesoscale model for meteorological forecast, but its coupling
with chemistry is still under study. Thus the WRF-Chem model has not found an actual application. The contribution of the chemical component in this model would
allow a remarkable improvement on meteorological forecast. Moreover, it is important to estimate the reliability and versatility of the model for different climate and
atmospheric opacity situations because this will make it particularly suitable for simulations of the future climate, where aerosol concentrations in atmosphere may be
rather different from the current ones.
Concluding, both studies on climate and cosmic rays require a better knowledge of the role played by aerosol and clouds properties and variations, therefore the
proposed projct would adequately answer to those needs, providing a database of data and results that will be shared with the scientific community.
15 - Articolazione del progetto e tempi di realizzazione
Italiano
Il nostro progetto di ricerca è articolato come segue :
1. Primo anno :
Progettazione e realizzazione presso l'Università di Torino del sistema LIDAR descritto. Seguiranno una serie di controlli sul sistema (allineamento, verifica
funzionamento DAQ) ed una prima serie di misure a Torino, in ambiente urbano. A verifiche ultimate, il sistema sarà trasferito presso il CETEMPS de L'Aquila
(ambiente rurale), dove subirà una serie di ulteriori controlli attraverso il confronto con un sistema LIDAR facente parte della rete EARLINET e pertanto altamente
controllato. Verrà controllato l'allineamento del telescopio ed il confronto avverrà su dati presi in contemporanea dai due sistemi. Saranno effettuati confronti tra le
diverse tecniche di analisi dei dati LIDAR (tecnica Raman, Fernald, Klett). Sviluppo del software per la simulazione e ricostruzione degi eventi che nell'anno
successivo saranno registrati da AMT.
2. Secondo anno :
Trasferimento del sistema a Prowers County, Colorado. Allestimento e verifica del funzionamento del sistema. Verifica dell'acquisizione di AMT. Seguiranno
campagne di misure con spari verticali ed orizzontali ed analisi dei dati LIDAR ed AMT. L'analisi dati di AMT verrà condotta con due tecniche diverse, i risultati e le
sistematiche delle due techicne saranno confrontate tra loro e con i risultati ottenuti dal LIDAR sulla misura dei profili di estinzione degli aerosol. Verrà misurata la
12
lunghezza di attenuazione orizzontale degli aerosol a terra attraverso una serie di spari in orizzontale che saranno rilevati anche da AMT. La quota dello strato piu'
basso di nuvole sarà misurata con AMT e LIDAR e saranno condotti confronti anche con misure da satellite.
Applicazione del modello WRF-Chem ai dati. Sviluppo di un modello previsionale paramentrico della stratificazione di aerosol e studio delle sistematiche che tale
modello parametrico induce rispetto ad una misura puntuale.
3. Terzo ed ultimo anno :
Trasferimento del sistema a Malargue, Argentina. Posizionamento del LIDAR in una zona fuori dal campo di vista di Auger per non interferire con la normale presa
dati dell'esperimento. Campagna di misure ed analisi dati e conseguenti confronti con le misure degli strumenti di Auger.
A conclusione del progetto, il sistema potrà essere recuperato e riportato in Italia per successivi possibili utilizzi; sarà preparato un database per la diffusione dei
risultati e dei dati raccolti alla comunità scientifica.
Inglese
Our research project is structured as follows:
1. First year:
Design and setup of the LIDAR system described at the University of Torino. A series of checks on the system will follow (alignment, verification operation DAQ) and
a first set of measurements wil be taken in Torino, in an urban environment. After these checks, the system will then be transferred to the CETEMPS L'Aquila (rural
area), where it will be subject to a series of further checks by comparing it with a LIDAR system which is is part of the EARLINET network and that is therefore
highly controlled. The alignment of the telescope will be checked at CETEMPS and the comparison with EARLINET LIDAR data will be based on data taken
simultaneously by the two systems. The different techniques for LIDAR data analysis (Raman technique, Fernald, Klett) will be applied. Development of software for
simulation and reconstruction of AMT events needed for the following year.
2. Second year:
Transfer of the LIDAR system to Prowers County, Colorado. Preparation and verification of system operation. Check the acquisition of AMT. It will follow a
measurement campaign with vertical and horizontal shots and the analysis of LIDAR data and AMT. The AMT data analysis will be conducted with two different
techniques, results on the aerosol extinction profiles and systematics of the two techniques will be compared between thenselves and with the results obtained by the
LIDAR. The aerosol horizontal attenuation length at ground level will be measured through a series of horizontal shots that will also be detected by AMT. The lower
layer of clouds will be measured by LIDAR and AMT and will be compared to satellite measurements.
Application of the WRF-Chem model to data. Development of a parametric model to describe the stratification of aerosols and study of the systematic introduced by
this parametric model with respect to a puntual measurement.
3. Third and last year:
Transfer of the system to Malargue, Argentina. Positioning of the LIDAR in an area outside the field of view of Auger to avoid interference with the normal
data-taking experiment. Measurements campaigns, data analysis and comparisons with the measurements obtained with the Auger atmospheric monitoring system.
At the conclusion of the project, the system can be recovered and returned to Italy for further possible uses; a database for the distribution of results and data
collected to the scientific community will be prepared.
16 - Elementi e criteri proposti per la verifica dei risultati raggiunti
Italiano
Abbiamo dedicato una particolare attenzione ai criteri per verificare i risultati che otterremo con le nostre misure. Il primo passo consisterà infatti nel paragone dei
dati raccolti durante il primo anno dal LIDAR costruito a Torino con unità simili già installate presso i laboratori del CETEMPS di L'Aquila. Questo consentirà di
mettere a punto una strategia di allineamento dell'ottica del LIDAR e caratterizzare al meglio il segnale. Permetterà inoltre di studiare la migliore strategia di
acquisizione dati (durata, direzioni di sparo, tecnica di inversione del segnale, ecc.). Un sistematico confronto dei dati raccolti in condizioni atmosferiche differenti
con gli strumenti già presenti consentirà poi lo studio e la minimizzazione degli errori sistematici presenti nelle nostre misure.
In Colorado i dati verranno raccolti da due strumenti (LIDAR e AMT) assolutamente indipendenti sia dal punto di vista dell'acquisizione, sia da quello dell'analisi dei
dati, con in comune la sola sorgente laser Nd:YAG. I due strumenti applicano condizioni al contorno differenti per l'estrazione dei profili di profondità ottica degli
aerosol. Il confronto sistematico tra i dati raccolti permette la verifica della compatibilità tra i profili calcolati e lo studio delle sistematiche introdotte dalle tecniche
e dalle ipotesi al contorno applicate. Inoltre sarà possibile verificare l'applicabilità dei profili estratti da AMT su aree molto estese: questo avverrà sia attraverso il
paragone tra i profili ottenuti indipendentemente dai due strumenti utilizzati (posti a 30 km l'uno dall'altro), sia attraverso lo studio dell'omogeneità orizzontale a
terra ottenuto dal LIDAR durante la presa dati di AMT. La misura della copertura nuvolosa e della profondità ottica delle nuvole potrà essere confrontata con
osservazioni da satellite (ad esempio CALIPSO), in Colorado come in Argentina. L'ultimo anno di raccolta dati presso l'Osservatorio Pierre Auger in Argentina
consentirà poi un ulteriore paragone delle prestazioni del LIDAR realizzato con sistemi già in uso e di cui si conoscono a fondo le caratteristiche (CLF, XLF, 4
LIDAR elastici, LIDAR Raman).
In conclusione i risultati ottenuti nei tre anni (sia per quanto riguarda la stratificazione degli aerosol che per le misure sulle nubi) saranno verificati attraverso il
paragone con altri risultati ottenuti con sistemi simili presenti in letteratura, ed attraverso il confronto con i 5 anni di dati raccolti dall'Esperimento Auger. Dal
confronto sarà possibile stimare l'indeterminazione dovuta all'uso del modello sviluppato rispetto alla misura sistematica delle condizioni ambientali, attualmente
indispensabile negli esperimenti per lo studio dei raggi cosmici. I risultati saranno pienamente raggiunti se, oltre allo sviluppo di un modello previsionale per gli
aerosol legato all'ambiente di misura, si raggiungerà una indeterminazione del 5-15% sulla misura dell'estinzione verticale degli aerosol, un errore del 10-20% sulla
misura del coefficiente di retrodiffusione degli aerosol a 355 nm, un errore entro il 20% sulla misura del rapporto di mescolamento del vapor d'acqua tra 100 m e 8
km. Il risultato delle simulazioni con WRF-Chem verrà confrontato con i dati sperimentali misurati dal LIDAR e con la letteratura, valutando così la performance del
modello e delle sue impostazioni.
Inglese
We have paid particular attention on the criteria for verifying the results we will obtain from our measurements. The first step will be a comparison between the data
collected by the LIDAR built in Torino during the first year and similar detectors already installed at the CETEMPS laboratories (L'Aquila). This comparison will
allow to set up a strategy for the alignment of LIDAR optics and to fully characterize the signal. Furthermore, it will allow to study the best data acquisition strategy
(in terms of duration, shooting directions, signal inversion technique, etc.). A methodical comparison of the data taken in different atmospheric situations with the
already present systems will allow to study and minimize the systematic errors affecting our measurements.
In Colorado the data will be taken by two different instruments (the LIDAR and AMT) which are absolutely independent from both acquisition and data analysis
points of view (the Nd:YAG laser source is the only device in common). The two instruments apply different boundary conditions to extract the aerosol optical depth
profiles. The methodical comparison between the data extracted by these two instruments will allow to verify the compatibility of the profiles so calculated, and to
study the systematics induced by the techniques and boundary hypotheses adopted.
Moreover, it will be possible to verify the applicability of the optical depth profiles extracted from AMT measurements on very wide areas: this will be done by
comparing the profiles obtained independently by the two instruments, which are installed 30 km apart one from each other, and by studying the horizontal
homogeneity at ground level obtained by the LIDAR during AMT acquisition. Measurements of cloud coverage and of cloud optical depth may be compared with
satellite observations (e.g. with CALIPSO) in Colorado as well as in Argentina. The last year of data taking at the Pierre Auger Observatory (Argentina) will allow a
further comparison of LIDAR performances with other monitoring devices already present there whose characteristics are very well known (i.e. CLF, XLF, four
elastic LIDARs, a Raman LIDAR).
To conclude, the results obtained (both aerosol distribution and cloud measurements) during these three years will be verified by comparing them with other results,
obtained with similar devices, present in literature, and with the data collected by the Auger experiments during the last five years. From a comparison we will
estimate the uncertainty between the use of a forecast model and continuous measurements of the atmospheric conditions, which are considered at present essential
for cosmic ray experiments. The results will be considered as satisfactory if, besides the development of an aerosol distribution forecast model, we will achieve an
uncertainty between 5 and 15% on the measurement of aerosol vertical extinction profiles, an error of 10-20% on the measurements of the aerosol backscattering
13
coefficient at 355 nm, an error within 20% on the measurement of water vapor mixing between 100 m and 8 km. The results coming from WRF-Chem simulations
will be compared with the experimental results obtained by our LIDAR and with other results present in literature, thus estimating the performances of the model and
its settings.
17 - Riassunto Spese delle Unità di Ricerca
nº Responsabile
scientifico
1. VALORE Laura
2. TONACHINI
Spesa
A.1.1
Spesa
A.1.2
Spesa
A.2
Spesa B
Spesa
C.1
Spesa
C.2
Spesa D
Spesa E
Spesa F
Spesa G TOTALE
116.859
0
46.000
193.715
160.000
0
35.000
15.000
0
0
130.472
0
48.204
203.206
160.000
0
41.100
12.000
0
0
247.331
0
94.204
396.921
320.000
0
76.100
27.000
0
0 1.161.556
Aurelio Siro
TOTALE
566.574
594.982
Legenda voce di spesa:
-Spesa A: Spese di personale (A.1.1 dipendente a tempo indeterminato; A.1.2 dipendente a tempo determinato; A.2 personale non dipendente, esclusi i contratti per
giovani ricercatori e/o ricercatori di chiara fama internazionale di cui alla voce C)
-Spesa B: Spese generali direttamente imputabili all'attività di ricerca (obbligatoriamente nella misura forfettizzata del 60% del costo del personale di cui alle voci A e
C)
-Spesa C: Spese per contratti almeno triennali per giovani ricercatori (C.1) ed almeno semestrali per ricercatori di chiara fama internazionale (C.2)
-Spesa D: Spese per l'acquisizione di strumentazioni, attrezzature e prodotti software
-Spesa E: Spese per stage e missioni all'estero di docenti/ricercatori coinvolti nel progetto
-Spesa F: Costo dei servizi di consulenza e simili utilizzati per l'attività di ricerca
-Spesa G: Altri costi di esercizio direttamente imputabili all'attività di ricerca
18 - Informazioni generali e durata del progetto
36 Mesi
Durata del Progetto di Ricerca
181
Mesi/persona complessivi dedicati al Progetto di Ricerca
1.161.556
Costo totale del Progetto
589.089
Finanziamento richiesto
2
Numero di contratti per giovani ricercatori
320.000
Costo totale
0
Numero di contratti per ricercatori di chiara fama
0
Costo totale
19 - Costo complessivo del Progetto di Ricerca risorse disponibili
nº
Responsabile scientifico
1. VALORE Laura
2. TONACHINI Aurelio Siro
TOTALE
Costo delle attività di ricerca
Costo dei contratti dei giovani ricercatori
Costo dei contratti dei ricercatori di chiara fama
Costo complessivo dell'Unità di Ricerca
Risorse finanziarie
richieste al MIUR
Giovani
ricercatori
Ricercatori di
chiara fama
internazionale
Costo totale della
proposta
progettuale
284.602
160.000
0
566.574
304.487
160.000
0
594.982
589.089
320.000
0
1.161.556
A carico del MIUR A carico del Proponente TOTALE
589.089
252.467 841.556
320.000
320.000
0
0
909.089
252.467 1.161.556
Si ricorda che il cofinanziamento a carico del proponente deve essere pari al 30% del costo complessivo del progetto di Ricerca, detratti i costi dei contratti triennali
per giovani ricercatori e per ricercatori di chiara fama, che sono finanziati al 100%.
I dati contenuti nella domanda di finanziamento sono trattati esclusivamente per lo svolgimento delle funzioni istituzionali del MIUR. Incaricato del trattamento è il
CINECA- Dipartimento Servizi per il MIUR. La consultazione è altresì riservata al MIUR - D.G. della Ricerca -- Ufficio V, alla Commissione FIRB e ai referee
scientifici. Il MIUR potrà anche procedere alla diffusione dei principali dati economici e scientifici relativi ai progetti finanziati.
14
Firma del Coordinatore
.............................
DATA 23/12/2010 04:12
15

MINISTERO DELL`ISTRUZIONE, DELL`UNIVERSITÀ E DELLA

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