[論文レビュー] El Roque de Los Muchachos Site Characteristics. III. Analysis of Atmospheric Dust and Aerosol Extinction

G. Lombardi, V. Zitelli+3 more|ArXiv.org|Feb 27, 2008

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 20被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、テレスコピオ・ナツィオナーレ・ガリレオ（TNG）に設置されたマルチチャネルダストモニタから得られた5年間のデータを用いて、ロケ・デス・ムチャチョス天文台における大気中のダストおよびエアロゾル消光を分析している。夏に顕著なダストストームが発生し、粒子濃度が最大1,000倍に上昇し、消光は1.0 mag airmass⁻¹にピークに達する。これは主に1.0–10.0 µmの粒子に起因しており、南西風の局所的パターンが、サハラ砂漠からの輸送だけでなく、地表付近のダスト再浮遊を引き起こしていることが判明した。

ABSTRACT

Canary Islands are normally interested by dominant North-East winds that, in some meteorological conditions, can transport sand at high altitude from the Sahara desert. The dust may affect the efficiency of the telescopes and decreases the transparency of the sky. In order to maximize the scientific return of the telescopes located at the ORM, we present an analysis of the atmospheric dust content and its effects on astronomical observations. B, V and I dust aerosol astronomical extinction are derived. Using a 5 years series database of data taken from the four channel TNG dust monitor, we compute a mean hourly and daily values of the dust content. We have detected particles having size 0.3, 0.5, 1.0 and 5.0 um. Using a power law we have derived the content of 10.0 um particles. We found a typical local dust concentration ranging from 3x10^6 particles per cubic meter at 0.3 um, to 10^3 at 5.0 um and 10 at 10.0 um, increasing up to 3 order of magnitudes during the dust storms, with a relative higher increase of 1.0, 5.0 and 10.0 um particles. The number of local dust storm events is the same in winter- and summertime, but, the average background and storm-related increases in the dust concentration in summer are significantly higher than in winter. In a uniform approximation, during the dust storms, an average height of the dust layer of 2.5 km above the telescope is inferred. During the sand storms La Palma Island is affected by an almost uniform layer extending up to 5 km above the sea level, down, at least the height of the telescope. The visible extinction is dominated by particles at 1.0, 5.0 and 10.0 um. In agreement with the results from Carlsberg Automatic Meridian Circle (CAMC) we find a typical extinction during dust storms of about 0.2 mag/airmass.

研究の動機と目的

• ロケ・デス・ムチャチョス天文台（ORM）における大気ダスト濃度の定量的評価と、天文観測に与える影響の特定。
• 0.3–10.0 µmのダスト粒子サイズの季節的および時間的変動と、風向き・風速および消光との相関関係の特定。
• 大気消光に寄与する要因としての局所的ダスト再浮遊と高高度でのサハラ砂漠からのダスト輸送の寄与度の評価。
• ダストが望遠鏡の性能（ミラー反射率およびSN比の低下）に与える影響の評価。
• 地上ダストモニタと衛星データ（TOMS）を併用した包括的なサイトテスト手法の妥当性の検証。

提案手法

• TNGドームに設置された4チャネルダストモニタを用い、0.3、0.5、1.0、5.0 µmの粒子サイズごとにリアルタイムでの粒子数を測定。
• 測定データから10.0 µm粒子の濃度を、べき乗分布を適用して外挿推定。
• 5年間のデータセットを用いて、平均時間別および日次でのダスト濃度値を算出し、傾向およびストームイベントを特定。
• 風向き・風速とダストピークイベントの相関を分析し、局所的再浮遊と長距離輸送の区別を試みた。
• 地上ダストデータとTOMSエアロゾルインデックス、CAMC天文学的消光データを比較し、相関関係の妥当性を検証。
• ダスト層が均一に分布していると仮定し、消光および粒子濃度データを用いてダスト層の垂直拡がを推定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TNGサイトにおける大気ダスト濃度の季節的および時間的変動、特に0.3–10.0 µm粒子についての特徴は何か？
• RQ2 風向き・風速とダストストームイベントの相関関係は何か？これにより、局所的ダスト源と長距離輸送源の違いはどのように明らかになるか？
• RQ3 サハラのカリマ（Calima）イベントとは独立して、局所的ダスト再浮遊が天文的消光にどの程度寄与しているか？
• RQ4 ストーム発生時におけるダスト層の典型的な垂直拡がは何か？また、これは空気質量依存の消光にどのように影響を与えるか？
• RQ5 地上ダストモニタの測定値と衛星由来のエアロゾルインデックス、天文学的消光データの相関関係はどの程度か？

主な発見

• 通常のバックグラウンドダスト濃度は、0.3 µmで3×10⁶ 粒子/m³、5.0 µmで10³、10.0 µmで10と推定され、ダストストーム時には最大1,000倍に上昇する。
• 夏のダストストームは、冬と同程度の頻度であるが、バックグラウンド濃度が3–4倍高く、粒子数の増加も顕著である。
• ダストストームは通常3–4日間続くが、稀に5–6日間持続するケースも存在。2日以内の短時間ストームは、TOMSエアロゾルインデックスが高くなるとは強く相関しないため、局所的再浮遊が主因であると示唆される。
• ダストの多い日には、1.0 µm以上の粒子が消光を支配しており（70%以上）、晴れた日には0.3 µm粒子が支配的（約70%）である。
• ダストストーム中の平均天文学的消光は約0.2 mag airmass⁻¹であり、極端なイベントでは約1.0 mag airmass⁻¹にまで上昇する。これはCAMCデータと整合的で、スピアマン相関係数が0.8以上である。
• 望遠鏡上空約2.5 km（海面から5 km上）まで均一なダスト層が存在すると推定され、0.3–10.0 µm粒子が観測柱内に著しい沈降を示さないことが示唆される。