[論文レビュー] Towards a full Atmospheric Calibration system for the Cherenkov Telescope Array

M. Doro, M. Gaug+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2013

Atmospheric Ozone and Climate被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ガンマ線エネルギーおよびフラックス再構成における系統的不確実性を低減するため、チェレンコフ望遠鏡アレイ（CTA）向けの包括的でマルチインストルメント型の大気補正システムを提案する。ラマンLIDARと放射計、光度計、全天カメラなどの補完的機器を組み合わせることで、高度別・波長依存の大気透過率測定が可能となり、データ補正の精度が著しく向上し、非望ましい大気条件下での観測データの利用が可能になる。これにより、運用効率（デューティーサイクル）とデータ品質が向上する。

ABSTRACT

The current generation of Cherenkov telescopes is mainly limited in their gamma-ray energy and flux reconstruction by uncertainties in the determination of atmospheric parameters. The Cherenkov Telescope Array (CTA) aims to provide high-precision data extending the duty cycle as much as possible. To reach this goal, it is necessary to continuously and precisely monitor the atmosphere by means of remote-sensing devices, which are able to provide altitude-resolved and wavelength-dependent extinction factors, sensitive up to the tropopause and higher. Raman LIDARs are currently the best suited technology to achieve this goal with one single instrument. However, the synergy with other instruments like radiometers, solar and stellar photometers, all-sky cameras, and possibly radio-sondes is desirable in order to provide more precise and accurate results, and allows for weather forecasts and now-casts. In this contribution, we will discuss the need and features of such multifaceted atmospheric calibration systems.

研究の動機と目的

• 現在のチェレンコフ望遠鏡アレイで生じる大気の変動に起因するガンマ線エネルギーおよびフラックス再構成における系統的不確実性を低減すること。
• CTAに完全な大気補正システムを構築し、高度および波長にわたる大気パラメータの継続的で高精度なモニタリングを可能にすること。
• 大気の影響を補正することで、非望ましい大気条件下で得られたデータの利用を可能にし、望遠鏡のデューティーサイクルを向上させること。
• チェレンコフ光への大気透過率の影響を正確に補正することで、高精度・高感度の観測を可能にすること。
• リアルタイムの天気予報（nowcasting）と観測スケジューリングの改善を支援するため、遠隔測定機器を統合すること。

提案手法

• 大気の消光を高度別・波長依存に測定できる主たる機器としてラマンLIDARを活用し、対流圏圏までおよびそれ以上の高度にまで感度を発揮する。
• 放射計、太陽および星光度計、全天カメラ、気象ローディングソナーなどの補完的機器を統合し、大気の特徴をより高精度に特徴付ける。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、分子およびエアロゾルのプロファイルがチェレンコフ像形成およびエネルギー再構成に与える影響をモデル化する。
• ラマンLIDARの差分透過率データを用いて、データ還元パイプラインにおける距離依存の大気吸収および散乱を補正する。
• 積分型およびプロファイリング型の機器間の相互補正を実施し、大気透過率表の検証および精緻化を図る。
• 代表的な10～20の気象プロファイルを用いた補間技術を開発し、施設固有の大気変動をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エアロゾルおよび雲層の高度別特性が、IACTにおけるチェレンコフ像形成およびエネルギー再構成にどのように影響を与えるか。
• RQ2 積分型の大気透過率パラメータ（例：総エアロゾル光学的厚さ）が、ガンマ線データに与える真の影響を十分に捉えられていない程度はどの程度で、なぜ距離分解測定が必要なのか。
• RQ3 光度計や全天カメラなどの補完的機器とラマンLIDARの連携が、大気補正の精度およびデータ品質を顕著に向上させ得るか。
• RQ4 監視されていない大気の変動が、CTAにおけるエネルギーおよびフラックス再構成の系統的不確実性に及ぼす影響はいかほどか。
• RQ5 大気モニタリングシステムが、非望ましい大気条件下のデータ補正を可能にすることで、CTAのデューティーサイクルをどの程度まで延長できるか。

主な発見

• 総エアロゾル光学的厚さなどの積分型大気透過率パラメータは、エアロゾルおよび雲層の高度依存変動の影響を捉えられておらず、正確なデータ補正には不十分である。
• ラマンLIDARは、対流圏圏までおよびそれ以上の高度にまで、距離分解・波長依存の大気消光測定に最も適した単一機器ソリューションを提供する。
• エアロゾルおよび雲層の高さ、密度、種別は、像の強度および形状に顕著な影響を与え、その影響はシャワー核位置およびエネルギーに強く依存するため、正確な3次元大気プロファイリングが不可欠である。
• 6 km、10 km、14 kmの高度に位置する雲層は、エネルギー依存的な強い歪みをチェレンコフ像に与え、特に10 km（高積雲）および14 km（ボルケイック灰）の影響が顕著である。
• 光度計や全天カメラなどの補完的機器の使用により、LIDARデータの相互検証が可能となり、リアルタイムでの雲検出および観測スケジューリング支援が可能になる。
• 大気の影響を補正することで、非望ましい大気条件下で得られたデータの回復が可能となり、望遠鏡のデューティーサイクルが向上し、より効率的なマルチウェーブ長およびターゲット・オブ・オポーチュニティ観測が可能になる。