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. Hier werden die Daten diskutiert, die die molekularen Eigenschaften der Atmosphäre beschreiben.

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

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.


Datenbank und ASCII Tabellen

Die Daten werden in einer Datenbank für die molekulare Atmosphäre abgespeichert und der Auger-Kollaboration für Rekonstruktionen und Simulationen zur Vergügung gestellt. Es handelt sich dabei um eine MySQL Datenbank.


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.


Einfluss auf kosmische Strahlung

Die Atmosphäre beeinflusst die Entwicklung und Beobachtung der Ultra Hoch-Energetischen Kosmischen Strahlung (UHECR) in verschiedenen Stadien. Die physikalischen Auswirkungen der atmosphärischen Variabilität werden diskutiert.


Detailliertere Informationen sind für Auger-Mitglieder hier zu finden.

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 300 - 400 nm.

Zur Anwendung der theoretischen Kenntnisse 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. Parallel zu den Arbeiten am Verständnis der Prozesse auf molekularer Ebene, wird in verschiedenen Labor-Experimenten die Fluoreszenz-Emission in Abhängigkeit von verschiedenen Gasbedingungen gemessen.

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

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Experimente

Die Karlsruher Auger-Gruppe ist an zwei Fluoreszenz-Experimenten, AirLight und AIRFLY beteiligt.

In Karlsruhe haben wir das AirLight Experiment aufgebaut.

Hier werden MeV Elektronen einer radioaktiven Sr-90 Quelle als anregenden Teilchen verwendet. Die Elektronen werden in eine Szintillationskammer geleitet, die mit Stickstoff oder Luft gefüllt werden kann. Das Gasvolumen ist von mehreren Photomultipliern umgeben, die das emittierte Fluoreszenzlicht nachweisen. Vor den Photomultipliern sind unterschiedliche Interferenz-Filter eingebaut, damit das Fluoreszenzlicht in verschiedenen Wellenlängen detektiert wird. Bei diesem Experiment kann bei Gasdrücken von 5 bis 1000 hPa gemessen werden. Zudem kann zusätzlich Wasserdampf in die Kammer eingeleitet werden.


Das zweite Experiment ist das AIRFLY Experiment. Diese Emissions-Kammer kann in verschiedene Beamlines an Beschleunigern gestellt werden und dann das von MeV - GeV Elektronen oder Positronen induzierte Fluoreszenz-Licht messen. Ein Teil der Messungen findet an der Test Beam Facility des DAPHNE Beschleunigers am Laboratori Nacionali di Frascati, in der Nähe von Rom, statt. Die anderen Messungen wurden im Argonne National Laboratory, in der Nähe von Chicago, am Van de Graaff Elektronen Beschleuniger und am Argonne Wakefield Accelerator (AWA) durchgeführt. Auch in diesem Experiment wurde der gesamte Druckbereich bis zu 1 atm durchfahren. Ausserdem werden Messungen in Abhängigkeit von der Temperatur und des Wasserdampfes durchgeführt.

Theorie

Neben den oben genannten Experimenten gibt es noch weitere zur Bestimmung des Fluoreszenzlichts, welches von ausgedehnten Luftschauern in der Erdatmosphäre induziert wird. Dieses Licht wird verwendet, um die longitudinalen Profile der Luftschauer zu rekonstruieren, um dann auf Informationen über die Primärenergie und Komposition der kosmischen Strahlung zu schliessen. Die Ergebnisse der verschiedenen Fluoreszenz-Experimente weichen teils jedoch deutlich voneinander ab. Bei diesen theoretischen Untersuchungen werden Modell-Rechnungen zur Fluoreszenz-Emission vorgestellt und zwar in Abhängigkeit von der Wellenlänge und von verschiedenen atmosphärischen Bedingungen. Zudem werden Berechnungen, basierend auf unterschiedlichen Eingabe-Parametern aus der Literatur, mit den experimentellen Ergebnissen verglichen.


Kontakte

Dr. Hans O. Klages Dr. Bianca Keilhauer
Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Campus Nord Campus Süd
Institut für Kernphysik Institut für Experimentelle Kernphysik
Postfach 3640 Postfach 3640
76021 Karlsruhe, Germany 76021 Karlsruhe, Germany
Tel.: ++49 (0)7247 / 82-3532 Tel.: ++49 (0)7247 / 82-4419
Fax: ++49 (0) 7247 / 82-4075 Fax. ++49 (0) 7247 / 82-4075
e-mail: hans.klages (at) kit.edu e-mail: bianca.keilhauer (at) kit.edu