Atmosphäre
Fluoreszenz-Emission

Atmosphäre

Für die Rekonstruktion und Simulation von ausgedehnten Luftschauer ist es notwendig, die atmosphärischen Bedingungen am Ort des Experimentes zu kennen. Deshalb wurden mehrere Systeme zur Überwachung der Atmoshäre auf dem Gebiet des Auger-Süd-Detektors installiert.

Die Eigenschaften der Atmosphäre werden mittels der folgenden Zustands-Variablen in Abhängigkeit von der Höhe beschrieben:

• Temperatur [K]
• Druck [hPa]
• Dichte [kg/m³]
• Atmosphärische Tiefe [g/cm²]
• relative Luftfeuchte [%]
• Windgeschwindigkeit [m/s]
• Windrichtung [°]

Messtechnik Um die Variablen in Abhängigkeit von der Höhe zu messen, die die molekularen Eigenschaften der Atmosphäre beschreiben, führt die Karlsruher Auger Gruppe meteorologische Radiosondierungen durch. Die atmosphärischen Profile werden dabei typischerweise vom Auger-Niveau (rund 1450 m üNN) bis zu 25 km üNN aufgenommen. Zudem zeichnen Boden-Wetterstationen die gleichen Variablen in 5 Min. Intervallen auf. Zwischen März 2009 und Ende 2010 haben wir mit dem sog. Balloon-the-Shower Programm am Rapid Atmospheric Monitoring Programme des Pierre Auger Observatoriums teilgenommen. Hierbei werden alle eingehenden Luftschauer-Ereignisse, die mit den Fluoreszenzdetektoren aufgezeichnet werden, sofort rekonstruiert. Eine Analyse dieser Daten innerhalb von 10 min. nach dem Luftschauer-Ereignis selektiert besonders hochenergetische und gut detektierte Ereignisse und triggert dann einen Aufstieg eines Wetterballons.

Atmosphäre - Daten und Modelle Die atmoshärischen Bedingungen in Abhängigkeit von der Höhe haben große zeitliche Fluktuationen. Daher können zusätzlich zu den tatsächlichen Messungen auch Modelle sinnvoll sein. Innerhalb der Auger-Kollaboration wurden Modelle mit verschiedenen zeitlichen und rämlichen Gültigkeiten entwickelt. Anfang 2009 wurden sehr genaue Monatsmodelle fü das Gebiet des Auger Observatoriums in der Pampa Amarilla, Argentinien, abgeleitet. Aufgrund unserer Erfahrungen mit dem Balloon-the-Shower Programm konnten wir lokale Radio-Sondierungen mit Daten vom GDAS - Global Data Assimilation System ersetzen.

Fluoreszenz-Emission

Die Messung ausgedehnten Luftschauer kann durch den Nachweis von Fluoreszenz-Emission erfolgen. Die Elektronen und Positronen der ausgedehnten Luftschauer regen die Stickstoff-Moleküle der Atmosphäre an und die Abregung verläuft teilweise über die Emission von Fluoreszenzlicht, hauptsächlich im Wellenlängenbereich von ungefähr 280 - 420 nm.

Zur korrekten Beschreibung der Fluoreszenz-Emission in der Luftschauer-Rekonstruktion bedarf es der Implementierung der atmosphärischen Abhängigkeiten. Hierbei sind Temperatur-, Druck- und Luftfeuchte-Effekte, insbesondere bei den Abregungsprozessen der Stickstoff-Moleküle, Gegenstand aktueller Forschung.

Die Arbeiten auf diesem Gebiet werden seit einigen Jahren auf regelmässig stattfindenden Workshops diskutiert:
FIWAF 02 - Utah, USA, 2002
Air Light 03 - Bad Liebenzell, Deutschland, 2003
IWFM 05 - Habere-Poche, Frankreich, 2005
4th air fluorescence workshop - Prague-Pruhonice, Tschechien, 2006
5th Fluorescence Workshop - El Escorial-Madrid, Spanien, 2007
6th Air Fluorescence Workshop - L'Aquila, Italien, 2009
7th Air Fluorescence Workshop - Coimbra, Portugal, 2010
8th Air Fluorescence Workshop - Karlsruhe, Deutschland, Sept. 2011
Derzeit erarbeitet eine internationale Arbeitsgruppe eine Beschreibung der Stickstoff-Fluoreszenz in Luft, die in möglichst allen Experimenten zur Untersuchung der kosmischen Strahlung Anwendung finden soll. Diese Arbeitsgruppe wurde auf dem 8th Air Fluorescence Workshop gegründet und stellte ihre ersten Ergebnisse auf dem International Symposium on Future Directions in UHECR Physics 2012 vor.