Remote sounding of atmospheric layer motions for site testing and photon propagation properties

This thesis is divided into two main arguments: the first is a satellite study of a planetary atmosphere and the second is a study of the propagation properties of photons in the atmosphere. The study of the atmosphere is made through the analysis of satellite data. The satellites are divided into two main groups: polar satellites and geostationary satellites. Polar satellites have an orbit around the Earth at an altitude of about 800 km, they pass over the same site twice every 24 hours and have a field of view that looks at the entire globe of the Earth. Geostationary satellites orbit above a fixed point at an altitude of about 35000 km, they have a temporal resolution of the order of minutes, and they have a field of view of a single hemisphere. For this reason the geostationary systems are composed of a pair of satellites so as to cover the entire globe. In this thesis the satellite data analysis of Earth's atmosphere has the main purpose of the site testing. We base the analysis on the study of data from the geostationary satellite GOES12. In particular, we describe a new model for a complete study of the Earth's atmosphere. This model studies the cloud cover, but for some selected sites it includes also some indications on atmospheric phenomena such as winds, fog, dust and high humidity. It also allows a short and long term statistical forecast of the observing conditions of the site and a qualitative analysis of the seeing. We correlate the cloud cover data with the data from the MODIS polar satellite. This allows a mutual assessment of the results obtained from the two satellites belonging to the two main satellite groups. The combined analysis of a geostationary satellite and a polar satellite allows us to fill the respective limits of the two satellite groups. In the second part we analyze the photon propagation properties in the free atmosphere: we see in detail how the photon propagation time changes in a medium. We also analyze the geometrical and physical distortions of these photon paths. In particular, we describe a new model for the photon delay time in the atmosphere and to derive the seeing from this delay time fluctuations. Finally, we describe the design of a new tool for the ground layer seeing analysis.

Questa tesi è divisa in due parti: la prima descrive un nuovo studio satellitare di atmosfere planetarie, la seconda è un’analisi delle proprietà di propagazione dei fotoni in atmosfera. I modelli descritti nella prima parte sfruttano dati da satellite. I satelliti sono divisi in due gruppi principali: i satelliti polari ed i satelliti geostazionari. I primi orbitano attorno alla Terra ad un’altitudine di circa 800 km, passano sopra allo stesso punto circa due volte ogni 24 ore ed il loro campo di vista copre l’intero globo terrestre. I secondi orbitano sopra ad un punto fisso ad un’altitudine di circa 35000 km, hanno una risoluzione temporale dell’ordine dei minuti ed il loro campo di vista copre un singolo emisfero. Per questa ragione i sistemi geostazionari sono spesso composti da una coppia di satelliti, così da coprire l’intero globo terrestre. In questa tesi l’analisi dei dati satellitari dell’atmosfera terrestre ha come scopo principale il site testing. Noi basiamo questo lavoro sull’elaborazione dei dati del satellite geostazionario GOES12. In particolare descriviamo un nuovo modello per lo studio completo dell’atmosfera terrestre: questo modello studia la copertura nuvolosa, ma per alcuni siti selezionati include anche lo studio di fenomeni come vento, nebbia, polveri ed elevata umidità. Esso consente anche la previsione statistica, a breve e lungo termine, delle condizioni osservative del sito ed una misura qualitativa del seeing da satellite. I risultati ottenuti sono stati poi validati attraverso la correlazione puntuale con i dati da terra. Infine abbiamo correlato gli stessi con i dati del satellite polare MODIS. Un’analisi combinata di un satellite geostazionario ed uno polare consente di colmare i rispettivi limiti dei due gruppi satellitari principali ed inoltre fornisce un’ulteriore validazione dei dati. La seconda parte della tesi tratta le proprietà di propagazione dei fotoni in atmosfera libera. In particolare vediamo come cambia il tempo di propagazione in un mezzo. Analizziamo inoltre la distorsione del cammino geometrico e fisico, descrivendo un nuovo modello per la misura del tempo di ritardo del singolo fotone. Attraverso le fluttuazioni di tale ritardo ricaviamo poi una misura del seeing. Infine illustriamo un progetto di un nuovo strumento per l’analisi del seeing nel ground layer.