PROGRAMMA NAZIONALE DI RICERCHE IN ANTARTIDE

STAZIONE CONCORDIA

Rapporto sulla Campagna Antartica

Inverno Australe 2012

CONCORDIA STATION

Activity Report on the Antarctic Campaign

Winter 2012 – DC08

ANT 2013/02

2

3

INDICE Introduzione .....................................................................................................................5 Progetti/Osservatori di Glaciologia e Chimica..................................................................7 Osservatorio Meteoclimatico e Fisica dell’Atmosfera.....................................................15 IPEV Program #209 NDACC Antarctica .......................................................................53 IPEV Program #414 – CESOA-DC ................................................................................55 IPEV Program #903 – DC Chimie..................................................................................56 IPEV Program #906 Seismology at Concordia ..............................................................57 IPEV Program #908: AstroConcordia ............................................................................59 IPEV Program #1066 ASTEP ........................................................................................64

4

5

Introduzione

Il presente rapporto riguarda le attività condotte presso la Stazione scientifica “Concordia” nel corso dell’inverno australe 2012.

Com’è noto Concordia è la Stazione realizzata e gestita congiuntamente dal Programma Nazionale di Ricerche in Antartide (PNRA) italiano e dall’Institut Polaire Paul Emile Victor (IPEV) francese. La Stazione è stata aperta dal 1997 durante l’estate australe e dal 2005 sono iniziate anche le attività durante l’inverno australe. Pertanto dal 2005 è rimasta ininterrottamente aperta.

La collocazione della Stazione sull’altipiano glaciale antartico a 75°06’S e 123°20’E, ad oltre 1000 km dalla costa e ad una quota di 3233 metri s.l.m. rende il sito prescelto per la Stazione uno dei più remoti ed inospitali del pianeta. Al tempo stesso esso è luogo ambito per talune ricerche scientifiche, osservazioni meteorologiche ed astronomiche che non potrebbero essere effettuate altrove.

Mentre nei mesi dell’inverno australe l’equipaggio della Stazione vive in completo isolamento, nei mesi estivi australi, cioè da novembre a febbraio, si ha sovrapposizione dell’equipaggio che lascia la Stazione dopo avervi trascorso un inverno con l’equipaggio che va a prendere in consegna la Stazione per l’inverno seguente. A tali gruppi, che sono di norma indicati come equipaggi invernali, si vanno a sommare nel corso dell’estate australe i ricercatori e gli addetti alla logistica che vanno a lavorare per una decina di settimane a Concordia e soprattutto nelle installazioni circostanti (denominate nel loro complesso Campo estivo di Dome C).

Mentre le attività svolte in tale periodo estivo trovano la loro descrizione all’interno dell’annuale Rapporto di Spedizione edito dal PNRA, quelle relative al periodo invernale sono raccolte in una serie separata di Rapporti, serie di cui il presente Rapporto è l’ottavo da quando la Stazione è operativa.

La campagna invernale oggetto del presente Rapporto, denominata DC-08, ha seguito anch’essa le linee appena descritte.

DC-08 ha avuto inizio il giorno 10 febbraio 2012 ed ha avuto termine il giorno 8 novembre 2012. Tali date corrispondono ai giorni in cui l’equipaggio invernale è rimasto definitivamente isolato dopo l’ultima partenza degli operatori estivi e, rispettivamente, ha cessato di essere isolato con l’arrivo degli operatori della campagna estiva seguente.

L’equipaggio di Concordia durante il DC-08 era composto di 13 persone, che possono essere suddivise, quanto alle funzioni, in 4 ricercatori e 9 addetti alla logistica. Nominativi, qualifiche ed affiliazioni dell’equipaggio sono descritti di seguito, in apposita tabella (dato che il medico ha anche svolto attività scientifiche, il suo nominativo viene riportato sia tra i logistici che tra gli scientifici.

Le singole attività scientifiche formano l’oggetto di relazioni separate e sono descritte talvolta direttamente dal responsabile della ricerca, talvolta da chi, opportunamente pre-istruito, ha condotto in campo serie di operazioni e misure previste da altri.

Come si può vedere nelle pagine seguenti, non è stata effettuata una traduzione delle relazioni, per non travisarne i contenuti. Esse sono state lasciate nella lingua in cui sono state scritte in origine, vale a dire italiano o inglese, ciò che sottolinea l’internazionalità della Stazione.

Permane purtroppo una vistosa disomogeneità nelle relazioni scientifiche, in quanto alcuni dei relatori si sono premurati di illustrare, sia pure sinteticamente, al lettore non specialista lo scopo e i risultati della ricerca svolta, altri hanno piuttosto dato alla propria relazione il carattere di resoconto di azioni compiute.

In un caso e nell’altro si ha ragione di ritenere che le informazioni contenute complessivamente nel presente Rapporto siano preziose e l’esperienza insegna che lo saranno ancora di più a distanza di tempo.

Le ricerche condotte durante DC-08 hanno costituito per lo più la continuazione di ricerche impostate nelle stagioni precedenti. Esse hanno riguardato principalmente l’astronomia e l’astrofisica ma anche la glaciologia, la fisica e la chimica dell’atmosfera.

Le complesse interazioni tra l’atmosfera ed il manto nevoso permettono di ricavare molte informazioni di natura glaciologica e climatologia; in particolare contribuiscono ad una migliore interpretazione delle analisi delle carote di ghiaccio del progetto EPICA.

Le misure astronomiche, come è noto, si avvalgono delle condizioni atmosferiche eccezionalmente favorevoli esistenti a Dome C: bassa concentrazione di aerosol, basse temperature, scarsa umidità.

Giunta praticamente alla sua fase terminale la qualificazione del sito, le misure astronomiche vere e proprie hanno cominciato a dare i primi risultati interessanti quali l’osservazione di stelle pulsanti e la individuazione di alcuni pianeti al di fuori del sistema solare.

Come già in passato, la piccola comunità di esseri umani costretta a vivere isolata a Concordia circondata dal buio e dal gelo invernale, e con ridotte interazioni con l’esterno, si è anche prestata a studi,sui numerosi aspetti fisiologici e psicologici i cui risultati sono estendibili a possibili missioni spaziali. La presenza di un medico ricercatore dell’ESA ha permesso di condurre studi di tale natura.

Nel suo complesso la campagna invernale DC-08 non si è scostata di molto dallo schema delle precedenti e non si sono dovuti registrare fatti di particolare rilevanza.

6

Purtroppo, per problemi indipendenti dalle nostre volontà, non abbiamo ricevuto la relazione dello Station Leader, ma dalle relazioni individuali si ricava la sensazione che il personale abbia trascorso l’inverno 2012 senza incontrare grosse difficoltà e con grande dedizione al lavoro, pur incontrandosi inevitabilmente, specie verso la fine del periodo invernale, momenti si stanchezza e di nervosismo. Non sono mancate grandi soddisfazioni e idee sulla migliore continuazione dei progetti nelle prossime stagioni.

Inverno 2012-DC8 (10.2.2012 – 8.11.2012)

Erick Bondoux Expedition leader France Alexander Kumar* Medico France Stéphane Calvo Technical manager France Alessandro Bambini Elettronico Italy Giorgio Deidda Cuoco Italy Guerin Gérard Idraulico France Roberto D’Amato Informatico Italy Barbara Grolla Infermiere France Bruno Limouzy Maccanico mezzi France Alexander Kumar* Medicina (ESA) France Mattia Bonazza Glaciologia Italy Igor Petenko Fisica dell’atmosfera Italy Guillaume Bouchez Astronomia (ASTROCONCORDIA) France Sébastien Aubin Progetto CESOA France

* Il Dr Alexander Kumar ha svolto la mansione di medico, ma ha anche lavorato ad un programma

scientifico per l’ESA.

7

Progetti/osservatori di glaciologia e chimica Mattia Bonazza

Introduzione

L’attività condotta durante la campagna estiva (novembre 2011 – febbraio 2012) ed il seguente Winter Over (febbraio 2012 – novembre 2012) si inserisce nell’ambito di una collaborazione tra i settori di Glaciologia (avente come progetti di riferimento l’IPEV #1181 AIR GLACS e l’IPEV #1144 MAPME-DOMEX) e di Fisica dell’Atmosfera ed ha come scopo principale lo studio delle interazioni atmosfera-neve, attraverso il campionamento e la caratterizzazione chimica di aerosol, neve superficiale e hoar. Le variazioni delle concentrazioni atmosferiche, della composizione chimica e dei parametri fisici (dimensione e struttura delle particelle) dell’aerosol che raggiunge le aree interne dell’Antartide, infatti, forniscono importanti informazioni sulle principali fonti naturali primarie (es. erosione crostale, spray marino) e secondarie (es. emissioni biogeniche oceaniche, reazioni fotochimiche nell’atmosfera), sui meccanismi di trasporto a scala regionale, sulle reazioni di trasformazione troposferica e sui processi di dilavamento e scavenging (wet e dry deposition) del particolato atmosferico. Inoltre, gli studi paleo-climatici e paleo-ambientali condotti attraverso l’analisi di carote di ghiaccio, con particolare riguardo alle perforazioni di EPICA, richiedono una buona conoscenza degli odierni processi di produzione e trasporto di aerosol atmosferici e dei processi che avvengono all’interfaccia aria-neve per ricostruire in maniera affidabile la composizione delle paleo - atmosfere e per identificare e comprendere le risposte dei sistemi ambientali (ciclo idrologico delle aree continentali, produttività biologica marina, sistemi di circolazione atmosferica ed oceanica) alle forzature climatiche.

La caratterizzazione fisico-morfologica dei cristalli di precipitazione atmosferica e del manto nevoso, inoltre, costituisce un’importante attività complementare sia per l’utilizzo di dati da satellite e da misure strumentali a terra (albedo, emissione IR, assorbimento UV, ecc.) finalizzata allo studio del bilancio radiativo atmosferico, che per lo studio dei processi che avvengono all’interfaccia neve-atmosfera e quindi per la corretta interpretazione dei dati paleo-climatici. In aggiunta a quanto è stato fatto durante gli anni passati, da quest'anno, è stato aumentato il numero dei campionamenti rivolti alle analisi isotopiche che durante il 2013, appena i campioni raggiungeranno il laboratorio di Geochimica Isotopica dell'Università di Trieste (Dr. B. Stenni), verranno analizzati mediante spettrometria di massa con la tecnica IRMS (Isotopic Ratio Mass Spectrometry) o Spettroscopia Laser. La composizione isotopica (rapporti 18O/16O e 2H/1H in campioni d’acqua) delle precipitazioni dipende fondamentalmente dalla temperatura di condensazione e dalla traiettoria delle masse d'aria che transitano nell'area oggetto dello studio. L'obiettivo che ha determinato un aumento dei prelievi di campioni (air hoar, quando presenti, neve superficiale in concomitanza al ritrovamento di neve proveniente da precipitazioni sui banchini) durante quest'anno è quello di migliorare la nostra comprensione relativa alle interazioni fra l’atmosfera e la superficie nevosa. L'obiettivo di questa raccolta molto precisa ed esauriente è di poter applicare dei modelli climatologici (unidimensionali) di distillazione isotopica per poter comprendere i meccanismi a cui sono soggette le masse d'aria che, formandosi sugli oceani (principalmente Oceano Indiano), transitano poi sul sito di Dome C. Campionamento di aerosol atmosferico

I campionamenti di aerosol atmosferico sono condotti con sistemi situati nello shelter “Glacio”, distante 700 metri dalla Stazione Concordia, in direzione sud-ovest rispetto ad essa in modo da trovarsi per la maggior parte dell’anno sopra vento e minimizzare gli effetti di contaminazione.

Grazie alle modifiche apportate agli strumenti e alle teste di campionamento negli anni precedenti non si sono verificate alcune anomalie o guasti durante il Winter Over 2012. L'unica modifica apportata è stata il sollevamento delle teste di campionamento di 1 metro, operata utilizzando delle apposite strutture in legno costruite durante il periodo estivo, e messe all'opera prima dell'inizio del periodo invernale. Il motivo delle modifiche è stato l'innalzamento della duna di accumulo nevoso che circonda lo shelter “Glacio” che ha ridotto l'altezza delle teste di misura rispetto al suolo e che, a causa del differente flusso aereo attorno alle strutture, avrebbe potuto causare un’erronea interpretazione dei dati in sede di analisi (presso i laboratori di Sesto Fiorentino).

I campionamenti di aerosol effettuati sono riportati in dettaglio qui di seguito:

• PM 10 con frequenza giornaliera Il PM 10 (Particulate Matter lower than 10 µm) è raccolto su filtri in teflon da 47 mm (efficienza >99.6%

per particelle con diametro aerodinamico equivalente di 0.3 µm) con un flusso d’aspirazione costante di 38.3 L/min. Il tempo di campionamento è di 24 ore. L’elevata risoluzione temporale permette di evidenziare eventi di trasporto atmosferico rapido di particolato, attraverso la determinazione analitica di specifici marker chimici (es. Ca per l’erosione crostale, Na per lo spray marino e MSA per l’attività biologica oceanica).

8

Il campionatore utilizzato è un Echo PM Tecora, con una pompa a palette di grafite. • PM 10 con frequenza di 3 giorni (72 ore)

Anche per questo tipo di campionamento si utilizzano filtri in teflon da 47 mm, con un flusso d’aspirazione costante di 38.3 L/min per un tempo di campionamento di 72 ore per ciascun filtro. La maggiore quantità di particolato raccolto grazie al più lungo periodo di campionamento permette la caratterizzazione chimica completa dei componenti presenti nell’aerosol atmosferico di Dome C anche a livello di tracce.

Il campionatore utilizzato è un Echo PM Tecora, con una pompa a palette di grafite. • Aerosol atmosferico su 4 classi dimensionali

L’aerosol è raccolto su filtri montati in serie in un impattore inerziale a 4 stadi Dekati. Sfruttando la particolare tipologia di costruzione del sistema di campionamento è possibile suddividere in diverse classi dimensionali il particolato atmosferico in funzione del diametro aerodinamico equivalente delle particelle. In particolare, sono campionate le seguenti classi dimensionali: 1. Particolato con diametro aerodinamico equivalente maggiore di 10 µm; 2. Particolato con diametro aerodinamico equivalente compreso tra i 10 µm ed 2.5 µm; 3. Particolato con diametro aerodinamico equivalente compreso tra i 2.5 µm ed 1 µm; 4. Particolato con diametro aerodinamico equivalente inferiore ad 1 µm (PM 1).

L’aerosol dei primi 3 stadi è raccolto su filtri in policarbonato da 25 mm, mentre l’ultimo stadio ha un filtro in teflon da 47 mm. Tale tipologia di campionamento permette di separare i marker chimici correlati alle sorgenti primarie (prevalentemente distribuiti sul particolato più grosso) da quelli originatisi da processi secondari (distribuiti su particelle micrometriche o sub-micrometriche).

Il campionamento opera con un flusso costante di 29 L/min, per una durata di 72 ore per ciascun ciclo, in parallelo con il campionamento di PM 10 con frequenza di 3 giorni, al fine di poter svolgere un’analisi comparata della composizione globale del PM10 e delle singole frazioni dimensionali.

Il campionatore utilizzato è un Echo PM Tecora con una pompa a palette di grafite. • Aerosol atmosferico per la determinazione del C

Questo aerosol è raccolto, senza operare selezioni dimensionali, su filtri in quarzo da 47 mm trattati termicamente (in Italia, nel laboratorio di origine) prima dell’inizio del campionamento. Questa tipologia di filtri permette la rimozione completa del materiale carbonioso eventualmente presente sul supporto di campionamento e quindi di effettuare un’affidabile determinazione del carbonio organico ed elementare. I campionamenti sono effettuati per periodi di 2 settimane, con un flusso d’aspirazione costante di 38.3 L/min.

Il campionatore utilizzato è un Echo PM Tecora con una pompa a palette di grafite. • Aerosol atmosferico per le polveri insolubili

L’aerosol è raccolto, senza operare selezioni dimensionali, su teflon da 140 mm. Il campionamento ha una durata mensile per ciascun filtro, con un flusso d’aspirazione costante di 200 L/min. Il particolato è analizzato per la caratterizzazione chimica delle particelle di polvere insolubili al fine di individuare le attuali sorgenti (Sud America, Australia, coste deglaciate dell’Antartide) del particolato minerale continentale che raggiunge Dome C.

Il campionatore utilizzato è un Echo PM Tecora con una pompa a girante. Gli ultimi 2 tipi di campionamento (per l’analisi di C e polveri insolubili), per le caratteristiche delle analisi a

cui saranno sottoposti i filtri, sono estremamente sensibili ad eventuali contaminazioni provenienti dai fumi di scarico dei generatori della Base. Per questo motivo, nello shelter Glacio, è presente un PC, collegato al sensore del vento posizionato sulla sommità dello shelter, che legge in tempo reale i dati d’intensità e direzione del vento. Quando la direzione da cui soffia il vento è compresa tra i 20° ad i 90° in azimuth e quando la velocità dello stesso scende al di sotto della soglia di 1m/s un relè collegato al PC ed ai campio-natori fa interrompere il campionamento. La ragione per la quale è stato scelto un valore soglia di 1 m/s, al di sotto della quale si ha l'arresto dei campionamenti, è perché in queste condizioni i fumi che fuoriescono dal sistema di scarico dei generatori elettrici della Base e da eventuali macchine operatrici (gatti delle nevi, bulldozer o motoslitte) possono raggiungere le teste di campionamento, con conseguente inquinamento dei filtri a causa della formazione di una cappa di fuliggine che può diffondersi attorno alla Base.

Per ottenere un campionamento ottimale occorre eseguire una periodica manutenzione degli apparati coinvolti. In particolare, sono le pompe e le teste di campionamento le parti più soggette a controlli. Per questo, periodicamente, sono state ripulite ed ingrassate le guarnizioni, sono state misurate le dimensioni delle palette di grafite (e sostituite al raggiungimento di una dimensione critica) per evitare di incombere in rotture e sono stati cambiati i filtri dell’aria esausta ed i filtri interni alle pompe.

9

I filtri in teflon dedicati alla raccolta dell’aerosol e le capsule Petri, dove essi sono alloggiati, sono sottoposti ad un lavaggio (3 cicli di lavaggio) con acqua ultrapura prima dell’uso, in laboratorio. Dopo ogni ciclo di campionamento, anche i vari supporti portafiltro sono lavati con acqua ultrapura.

I filtri, una volta terminato il periodo di campionamento, sono riposti nelle capsule Petri, sigillati, per non incorrere in contaminazioni successive, in buste di polietilene, catalogati e stoccati all’esterno della Base in attesa della spedizione agli istituti di competenza per essere analizzati.

Durante la campagna estiva ed invernale sono stati raccolti, conservati e spediti, un totale di circa un migliaio di filtri (PM10 giornaliero, PM10 3 gg., Dekati 3 gg., C 14 gg. e Echo Puf 1 mese).

Campionamenti di neve

Ogni giorno sono stati effettuati 2 campionamenti (1 campionamento durante il periodo invernale) di neve superficiale e di hoar (quando presenti e campionabili). Al momento del campionamento sono state descritte le condizioni atmosferiche ed i fenomeni meteorologici principali in atto o accaduti nelle 24 ore precedenti al campionamento (precipitazioni, diamond dust, white out ecc.). Ogni campionamento consisteva nel riempimento di 2 fiale di plastica che venivano successivamente sigillate, catalogate e stoccate all’esterno della Base in attesa della spedizione agli istituti di competenza. Le variazioni di composizione chimica nella neve superficiale e nei cristalli di hoar permetteranno di evidenziare processi fotochimici e di studiare i fenomeni che avvengono all’interfaccia neve/atmosfera comparando queste analisi con quelle svolte sull’aerosol.

Quando la quantità di neve precipitata o portata dal vento è sufficiente (questo valore corrisponde ad uno spessore di circa 0,5 mm sull'intera superficie dei banchini), si provvede alla sua raccolta nel modo seguente:

− 1 sacchetto per la raccolta operata sui banchini isotopi e teflon; − 1 sacchetto per la raccolta operata sul banchino polistirolo (la cui superficie è stata sostituita nel mese

di ottobre 2012). Questa distinzione è stata ideata dal Laboratorio di Geochimica Isotopica di Trieste (Mattia Bonazza e la

Dott.ssa Barbara Stenni) con lo scopo di verificare, attraverso le analisi isotopiche, l'eventuale cambiamento della composizione isotopica della neve precipitata o portata dal vento (in seguito chiamata “ventata”), dovuta alla differente risposta che le superfici (Teflon e Polistirolo) potrebbero apportare alla neve quando sottoposta all'azione della radiazione solare. Tale fenomeno sarà oggetto di uno studio che verrà condotto durante l'anno 2013 nel medesimo laboratorio. Su questi campioni verrà determinata la composizione isotopica dell’ossigeno (δ18O) e dell’idrogeno (δD) e calcolato il valore dell’eccesso di deuterio.

Alla fine della campagna invernale e prima dell'arrivo del primo aereo, l'8 novembre 2012, le superfici dei banchini (teflon, polistirolo e isotopi) sono state riportate ad un'altezza dal suolo di 1,5 metri. Tale valore era sceso a 0,6 m a causa del progressivo accumulo nevoso dovuto al vento. Osservazioni, caratterizzazioni fisiche e misure su l manto nevoso, sul firn e sulle deposizioni atmosferiche Banchini e Tavolette superficiali

Giornalmente si è valutata l’entità della deposizione atmosferica e la tipologia cristallina depositata su una serie di banchi d’osservazione dei quali, 2 aventi una superficie di raccolta di 50 cm x 50 cm (banchini Teflon e Polistirolo) e un altro avente le dimensioni di 90 cm x 75 cm, situati a circa 1 metro d’altezza. Tali osservazioni sono condotte con l’ausilio di una lente d’ingrandimento e si effettuano fotografie in modo da avere una documentazione più completa possibile. La caratterizzazione morfologica dei cristalli è basata sul sistema di classificazione di Magono e Lee, e ad ogni osservazione (in parallelo ai campionamenti giornalieri di neve superficiale) è affiancata una dettagliata annotazione dei parametri atmosferici e dei fenomeni occorsi, per permettere di effettuare correlazioni tra quanto osservato e le condizioni atmosferiche.

Qui di seguito sono riportate alcune immagini:

10

Figura 1: 01 gennaio 2012 cristalli di ghiaccio sul banchino isotopi. Si notano cristalli C1e dalla sezione esagonale e 13b.

Figura 2: 13 aprile 2012 cristalli di tipo N2c depositatisi sul banchino teflon in seguito ad un abbondante precipitazione.

11

Figura 3: 12 giugno 2012, cristalli N1a tipici della particolare deposizione denominata "Diamond Dust".

Successivamente all'osservazione, e all'eventuale prelievo delle deposizioni cadute sui banchini, si sono effettuate delle misure di accumulo sulla superficie del manto nevoso, usando una coppia di tavolette di polistirolo (riposizionate durante la campagna estiva ad una distanza di circa 200 metri dallo shelter), di cui, una veniva lasciata inalterata per poter rilevare l'accumulo totale durante l'interno anno, mentre la seconda veniva ripulita giornalmente in modo da fornire i valori di accumulo giornaliero. La distanza alla quale le due tavolette sono state mantenute era di circa 2 metri.

Alcuni esempi di dati raccolti:

DATA ORA WW N V T Aria (°C)

P (Kpa) RH %

VENTO (m/sec)

DIREZIONE

10/08/2012 12.00 00 5 3 -53.4 643.8 45 5.6 s-e (122)

Precipitazioni

SI- NO

Alone attorno al sole

Air Hoar

Surface Hoar (nuovi)

Surface Hoar (vecchi

)

valore soglia CERRI-

AGNOLETTO PTFE

Spessore

PTFE (mm)

valore soglia CERRI-

AGNOLETTO PS

Spessore PS (mm)

Tipo di cristalli

Vento SI-NO

no no si no no <1 <1 Neve ventata e hoar

si

Deposizione

(mm) Peso (g)

Densità (kg/m 3)

S.W.E. (mm)

2.00 52.17 26.62 0,053

Data Time Polistirolo 1

(Valore soglia) Polistirolo 1

(mm) Polistirolo 2

(Valore soglia) Polistirolo 2

(mm) 05/10/2012 12.00 170 mm 1 mm

Paline settimanali

A cadenza settimanale è stata valutata l’entità dell’accumulo nevoso al livello del manto. Misurando l’altezza di una serie di paline disposte a croce in un’area distante circa 500 metri dalla Base e lontana da

12

ogni shelter (per evitare interferenze della deposizione) è stato possibile valutare quanta neve si accumula a Dome C durante l’anno. Le 13 paline sono distanti l’una dall’altra circa 10 metri e coprono un’area di 3600 m2. Esiste anche un’altra rete per determinare l’accumulo nevoso, situata a circa 3 km dalla Base, composta da una serie di 50 paline disposte a croce e distanti 25 metri l’una dall’altra (area coperta di circa 400.000 m2). Data la distanza dalla Base, per motivi di sicurezza, è possibile raggiungere tale area solamente con l’uso di mezzi di trasporto a motore, quindi i record di tali misure corrispondono sostanzialmente ai mesi della campagna estiva con frequenza mensile.

Sono state effettuate anche misure di densità e di temperatura del manto nevoso a diverse profondità. Mensilmente viene scavata una trincea della profondità di circa 1 metro, sulle cui pareti verticali si compiono carotaggi con un carotatore metallico, a mano, dalla lunghezza di 250 mm e dal diametro di 45 mm. I campioni di ghiaccio (carote) così estratti si pesano con una bilancia tecnica e se ne valutata la densità con una risoluzione verticale di 10 cm fino a 100 cm di profondità. Parallelamente e con la stessa risoluzione verticale di questi carotaggi si misura la temperatura del manto nevoso inserendo una sonda nella neve. Misure di temperatura e di densità in una trincea:

profondità (cm) t (°c) lunghezza (cm) diametro (cm) volume (cm3) massa vuoto (g)massa pieno (g)densità (g/cm3) 10 -26,5 25 4,5 397,4 20,98 153,20 0,33 20 -29,4 25 4,5 397,4 20,57 149,81 0,33 30 -30,8 25 4,5 397,4 20,76 147,44 0,32 40 -31,8 25 4,5 397,4 20,43 154,46 0,34 50 -32,8 25 4,5 397,4 20,41 158,22 0,35 60 -33,7 23 4,5 365,6 20,42 136,70 0,32 70 -35,3 25 4,5 397,4 20,62 151,42 0,33 80 -36,8 23 4,5 365,6 20,33 128,74 0,30 90 -38,6 24 4,5 381,5 20,60 142,98 0,32

100 -39,6 25 4,5 397,4 20,33 172,44 0,38

13

Con cadenza bisettimanale sono state effettuate delle misure di densità del manto nevoso a livello

superficiale. Quest’operazione di carotaggio di superficie consisteva nello scavo di 8 buche (30 cm x 30 cm) separate tra loro da una distanza di circa 2 metri e disposte a croce, in modo da poter integrare i dati di densità su una superficie piuttosto che su una retta. Negli anni precedenti le buche venivano scavate nell'area prossima al campo “paline settimanali”. Siccome quest'area è stata ampiamente esplorata negli anni passati, si è ritenuto necessario eseguire queste misure in zone mai esplorate e, quindi, non intaccate da precedenti movimentazioni di neve.

Tali campionamenti permettono di valutare in che modo, durante il corso dell’anno, si evolva fisicamente lo strato superficiale di neve su una vasta area. Analogo scopo hanno i carotaggi e le misure di temperatura nelle trincee.

Figura 4: Zona paline settimanali (punti neri da 1 a 13); i quadratini rossi rappresentano la posizione dei carotaggi superficiali svolti negli anni passati. Durante la campagna estiva 2011-12 e durante il WO 2012 la posizione di questi punti è stata modificata.

14

Il grafico seguente mostra, a titolo di esempio, la variazione della misura di accumulo nevoso sulle paline

4, 8 e 13 ovvero lungo il transetto N-S del campo paline settimanali.

Inoltre, a Dome C è presente uno strumento per la misura in continuo della temperatura della neve a varie profondità per i primi 10 metri per tutta la durata dell’anno al fine di verificare come la temperatura si distribuisca nella colonna di neve al variare di quella superficiale.

Lo strumento acquisitore è collegato ad una serie di sonde (PT100) poste a diverse profondità nella neve, in particolare tali profondità sono 5, 10, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 800, 1000 cm. Lo strumento (BABUC-ABC Lastem) si trova nello Shelter Helene, nei pressi della Torre Americana. Durante il periodo estivo si è provveduto alla demarcazione dell'accumulo nevoso annuale sul palo di legno che identifica la posizione delle sonde per il rilievo della temperatura e si è provveduto a dissotterrare le stesse e a riposizionarle alle quote indicate poch'anzi.

I dati di temperatura sono scaricati mensilmente attraverso la sostituzione di una memory card. Il campionamento impostato prevede una misura ogni minuto ed una memorizzazione del dato ogni ora;

per ogni sonda è registrato valore medio, valore minimo, valore massimo e deviazione standard.

15

Osservatorio Meteoclimatico e Fisica dell’Atmosfera

Igor Petenko, Elenco dei progetti e delle strumentazioni

La spedizione invernale DC8 è iniziata il 10 febbraio 2012 e si è conclusa con l’arrivo del primo aereo il giorno 08 novembre 2012.

Durante la campagna invernale DC8 del 2012 presso la Stazione Concordia sono state condotte le attività di Meteorologia e Fisica dell’Atmosfera, appartenenti a diversi progetti scientifici, con i relativi referenti di attività.

Il set delle strumentazioni scientifiche di cui è stata gestita la manutenzione, l’acquisizione, la verifica e l’analisi dei dati è stato il seguente:

Concordia WRO : Automatic Weather Station : Vaisala Milos 520 Radiosounding Station Vaisala Sounding System Digicora III BSRN: BSRN Station (Shelter CARO): Solar Tracker Kipp& Zonen Data Logger Campbell Cr 23X

2 Piranometri CM22 Pyrgeometro CG4

NIP Eppley NIP Kipp&Zonen Altra strumentazione:

Albedo Rack (postato vicino allo Shelter CARO) Albedo 30m (postato alla Torre americana) Redcat TeleWebcam Ground (postata ad Albedo Rack) Redcat TeleWebcam Sky (postata Shelter Fisica)

DECA-POL: Aerosol measurements (Shelter CARO) Sistema di misura DMPS Sistema di misura PSAP ABLCLIMAT : Sodar Station ( Shelter Sodar): Sodar con 4 antenne Anemometro ultra-sonico Metek USA-1 Net-Radiometro set Kipp& Zonen CNR 1 Sensori termometrici e piastra di flusso di calore della neve Ozono analizzatore ( Shelter CARO)

O3 analizzatore THERMO mod. 49C UV O3 analizzatore DASIBI CALVA: Torre Americana

Anemometri Young e sensori di temperatura ed umidità HMP155 a 6 livelli Termo-igrometro VTP 6 di LGGE-Grenoble

Per l’acquisizione e l’analisi dei dati di tutta la strumentazione elencata sono stati usati 12 personal computers. Sono stati acquisiti mediamente 1.8 GB di dati al giorno (fra i quali circa 1.6 GB per il Sodar) e circa 15 MB di dati sono stati inviati giornalmente alle unità di progetto via email ed ftp. NOTE GENERALI Regolarmente:

1. Ogni intervento fatto sugli strumenti o sui programmi di acquisizione, ivi incluso il back up dei dati, è stato riportato sui relativi diari.

16

2. Le condizioni meteo a vista, in particolare eventi estremi (precipitazione e vento) sono stati riportati sul diario Meteo e anche sul diario di laboratorio. Nei casi di eventi estremi la strumentazione è stata ricontrollata.

3. Dopo ogni intervento o evento estremo sono state fatte fotografie della strumentazione. In aprile-maggio si è collaborato alla preparazione della presentazione per una conferenza internazionale:

Argentini S., I. Petenko, A. Viola, G. Mastrantonio, I. Pietroni, G. Casasanta, E. Aristidi, C. Ghenton, A. Conidi. Thermal structure of the boundary layer over the snow: results from an under way experimental campaign at Concordia station, Dome C, Antarctica. p. 15-18. 16th International Symposium for the Advancements of Boundary Layer Remote Sensing (ISARS). 3-8 giugno, Boulder, Colorado, USA

A luglio-settembre si è collaborato alla preparazione dell’articolo per una rivista scientifica internazionale: Argentini S., I. Petenko, A. Viola, G. Mastrantonio, I. Pietroni, G. Casasanta, E. Aristidi, C. Ghenton. Surface Layer Measurements by Sodar at Dome C, Antarctica: Submitted to Journal of Applied meteorology and Climatology. Progetto PNRA 2009/B.06 Osservatorio Meteo-Climatol ogico Antartico (Resp. P. Grigioni) Progetto IPEV #1149 – Meteo RMO

Le attività dell’osservatorio meteoclimatologico hanno riguardato la gestione, la manutenzione della torre meteo MILOS 520, l’esecuzione di un radiosondaggio giornaliero intorno alle ore 12:00 UTC (20:00 LT), la diffusione dei dati meteo nella Base e il supporto meteo alle attività scientifiche ed operative durante le campagne estive ed invernali. AWS Stazione MILOS 520

La stazione Vaisala MILOS 520 ha funzionato bene per tutto l’inverno tranne che nei periodi caratterizzati dalle temperature più basse.

I sensori collegati alla stazione meteo sono i seguenti: 1) il sensore di temperatura ed umidità Vaisala HUMICAP HMP45D - n. 1 (installato a quota di 1.4 m) 2) i sensori di intensità del vento WAA151: n.1 con elemento riscaldante e n.1 freddo; 3) i sensori di direzione del vento WAV151: n.1 con elemento riscaldante e n.1 freddo, 4) l’anemometro ultra-sonico.

Gli anemometri sono installati a quota di 3.5 m.

17

WINDCHILL

Temperature, °C

0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50 -55 -60 -65 -70 -75 -80 -85 -90 0.5 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -36 -41 -46 -51 -57 -62 -67 -72 -78 -83 -88 -93 1 -1 -6 -11 -17 -22 -28 -33 -39 -44 -50 -55 -61 -66 -72 -77 -83 -88 -94 -99 3 -3 -9 -15 -21 -27 -33 -39 -45 -51 -57 -63 -68 -74 -80 -86 -92 -98 -104 -110 5 -5 -11 -17 -23 -29 -35 -42 -48 -54 -60 -66 -73 -79 -85 -91 -97 -103 -110 -116 7 -5 -12 -18 -25 -31 -37 -44 -50 -56 -63 -69 -75 -82 -88 -94 -101 -107 -113 -120 9 -6 -13 -19 -26 -32 -39 -45 -52 -58 -65 -71 -78 -84 -91 -97 -104 -110 -117 -123 11 -7 -13 -20 -27 -33 -40 -46 -53 -60 -66 -73 -79 -86 -93 -99 -106 -112 -119 -126 13 -7 -14 -21 -28 -34 -41 -48 -54 -61 -68 -74 -81 -88 -94 -101 -108 -114 -121 -128 15 -8 -15 -21 -28 -35 -42 -49 -55 -62 -69 -76 -82 -89 -96 -103 -110 -116 -123 -130 17 -8 -15 -22 -29 -36 -43 -49 -56 -63 -70 -77 -84 -91 -97 -104 -111 -118 -125 -132 19 -9 -16 -23 -29 -36 -43 -50 -57 -64 -71 -78 -85 -92 -99 -106 -112 -119 -126 -133

Win

d S

peed

, m s

-1

21 -9 -16 -23 -30 -37 -44 -51 -58 -65 -72 -79 -86 -93 -100 -107 -114 -121 -128 -135 The new formula improved in 2002: Windchill [° Fahr] = 35.74 + 0.6215 T – 35.75 (V0.16) + 0.4275 T (V0.16) T in Fahrenheit, V in knots; T_Cel= (5/9)(T_Far - 32), V [m/s] = (1852/3600) V [knots] Operazioni di routine

Le operazioni di pulizia dei sensori dai depositi di neve e dagli hoarfrost che si accumulano su tutte le superfici durante alcune situazioni meteo specifiche sono state effettuate con una periodicità di circa due- quattro volte alla settimana a seconda della necessità riscontrata. 1. mensilmente si scaricano dalla stazione meteo Milos 520 i file *.log, i quali vengono poi inviati all’ENEA Casaccia. Innovazioni

1. È stata calcolata e utilizzata per l’uso comune la tabella dei valori di Windchill in funzione dei valori della temperatura tradotta in gradi Celsius e dell’intensità del vento tradotta in metri al secondo.

18

2a. La tabella dei valori meteorologici correnti è stata parzialmente modificata cambiando l’ordine dei parametri, in base alla loro importanza.

09/11/2012, 00:06

Temperature -53.2 °C Pressure 650.5 hPa

Windchill -67.6 °C Relative Humidity 48 %

Wind Direction 264° Dewpoint -59.3 °C

Wind Speed 3.1 m/s 6 knots

2b. Sul grafico della temperatura il valore istantaneo Tinst (poco rappresentativo per misure di questo tipo) è

stato sostituito con il valore Tave (la linea verde sul grafico) che è la media al minuto ed è normalmente utilizzato in meteorologia.

3. I grafici dei parametri meteorologici sono stati sistemati e collocati in base alla loro importanza locale:

1) temperatura media al minuto Tave e valori Tmax e Tmin, 2) intensità del vento (V_cold e V_heat), 3) direzione del vento (Dir_cold, D_heat e Dir _sonic), 4) pressione, 5) umidità relativa e temperature di dew point.

19

20

4. È stato sviluppato un software su piattaforma Matlab per la visualizzazione dell’andamento temporale e per l’analisi statistica dei dati meteo, su periodi preselezionati (da alcuni ore ad alcuni anni). Nel seguito si riportano gli esempi di alcuni grafici per il periodo di un mese.

−80−75−70−65−60−55−50−45−40−35−30−25−20−15−100

5

10

15

20

25

30

35

40

Occ

urre

nce

(%)

Dome C − Concordia; Year: 2012, Months: 3−3, Hours: 0−24

Temperature (°C)

Tmean= −55.5 °CTmin= −69.4 °C Tmax= −28.1 °C

620 630 640 650 6600

5

10

15

20

25

30

35

40

Occ

urre

nce

(%)

Pressure (hPa)

Pmean= 642 hPaPmin= 633 hPa Pmax= 652 hPa

0 20 40 60 80 1000

5

10

15

20

25

30

35

40

Occ

urre

nce

(%)

Rel Humidity (%)

RHmean= 44 %RHmin= 30 % RHmax= 73 %

4

8

12

000(N)

045(NE)

090(E)

135(SE)

180(S)

225(SW)

270(W)

315(NW)

21

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120

5

10

15

20

25

30

35

40

Wind Speed (m s−1)

Occ

urre

nce

(%)

Vmean= 3.3 m s−1

Vmax= 9.72 m s−1

000(N) 090(E) 180(S) 270(W) 360(N)0

5

10

15

20

25

30

35

40

Wind Direction (deg)

Occ

urre

nce

(%)

Dome C − Concordia; Year: 2012, Months: 3−3, Hours: 0−24

4

8

12

000(N)

045(NE)

090(E)

135(SE)

180(S)

225(SW)

270(W)

315(NW)

Problemi riscontrati I. Problemi nelle misure del vento: 1) la differenza fra i sensori del vento freddo e caldo aumenta e varia fra 0.5 e 2.0 m/s in relazione alla

temperature, quando la temperature è < -50 °C, Vcold > Vheat; 2) quando la velocità del vento è più bassa di 1 m/s e la temperatura è < -70 °C, il sensore di velocità del

vento non riscaldato non ruota; 3) quando la velocità del vento è più bassa di 2 m/s e la temperatura è < -65 °C il sensore della direzione

del vento non riscaldato non si muove; 5) dopo il 07/06/2012 è stato osservato un nuovo fenomeno: Vcold < Vheat di 2 m/s quando T ~ < -75 °C; 6) l’anemometro sonico alle temperature <~ -62 °C fornisce valori della direzione di 0 °, e non risulta più

funzionante. 7) il sensore freddo della direzione del vento si ferma alle temperature < - 70 °C nonostante che il sensore

dell’intensità continui a girare e Vcold > Vheat. Per questo motivo si ritiene che sia necessario usare sempre e solamente le misure della direzione del vento fatte dal sensore riscaldato.

II. Quando il vento proviene dal settore NWW si osserva l’effetto dell’ombra del sensore sonico sul sensore Vcold, che provoca una diminuzione dei valori dell’intensità del vento misurati dal sensore freddo (vedi la figura sotto). Lo stesso effetto si osserva per il sensore caldo Vheat quando il vento proviene dal settore NEE. III. In alcuni situazioni meteorologiche si forma brina nelle tazze dei sensori dell’intensità del vento, la quale frena la loro rotazione. La forma delle tazze è conica, e questa forma: 1) favorisce la formazione della brina alla loro superficie, 2) rende difficoltosa la pulizia dei sensori rispetto con la forma sferica.

22

Radiosondaggio

Ogni giorno verso le ore 20:00 LT (12:00 UTC) è stato eseguito un radiosondaggio per il rilevamento colonnare di temperatura, umidità relativa, vento, pressione, velocità e direzione del vento. Per ogni radiosonda è stata eseguita la calibrazione di terra (Ground Check) e prima di ogni lancio si è rispettato un tempo di attesa di circa 10m, utile alla stabilizzazione della sonda stessa.

Si è constatato che raffiche del vento particolarmente forti talvolta possono causare la rottura dei palloni, facendoli sbattere sulle porte delle shelter adibito ai radiosondaggi nella manovra di uscita.

Dal 1 dicembre 2011 al 08 novembre 2012 sono stati effettuati 341 lanci. Nel periodo invernale si è avuta la rottura a causa della bassa temperatura e venti forti di 4 palloni. Mentre nelle operazioni di Ground Check sono state riscontrate 6 radiosonde difettose che sono state sostituite. Operazioni di routine

Giornalmente sono stati effettuati i radiosondaggi fra le 19:30 e le 20:30 ora locale di Dome C. Mensilmente sono stati generati i file CLIMAT dei dati dei Radiosondaggi mediati e sono stati inviati

all’ENEA Casaccia e all’Aeronautica militare.. Innovazioni

Sono stati sviluppati i programmi sulla piattaforma Matlab per: 1) creare un database in formatto Matlab; 2) elaborare i dati e ottenere dati statistici per vari periodi temporali. 3) nella pagina Meteo del sito concordiabase.eu sono stati aggiunti i profili della intensità e della

direzione del vento rilevati nel radiosondaggio (vedi figura sotto)

23

Problemi riscontrati I.

Sono stati osservati problemi nel funzionamento dei sensori di umidità relativa delle sonde RS92-SGPL. Sono stati raccolti ed analizzati i dati statistici sull’andamento della misura di umidità relativa con questi sensori.

Alcuni esempi di andamento non corretto sono presentati alle figure sotto: 1) l’andamento temporale della umidità relativa RH alla superficie ha un andamento a dente di “sega”, 2) il valore della RH cambia molto lentamente e non raggiunge il valore corretto.

I dati sono raccolti nel documento ‘Vaisala_error_1.doc’, aggiornato regolarmente e presente sul PC ‘meteotopà.

Per approfondire i dettagli del problema 2) sono state fatte delle prove le quali hanno confermato la gravità del problema e la necessità di un confronto con il produttore Valsala.

24

La variazione dei valori della umidità relativa RH in corrispondenza del suolo, che presenta un anomalo andamento a dente di sega

Per valori di temperatura al suolo ancora più bassi (<-60 °C), i valori della RH al suolo cambiano molto lentamente e non raggiungono il valore corretto.

II.

Nel periodo dal 25 al 28 marzo non sono stati effettuati i radiosondaggi a causa dell’assenza dell’adattatore per i rack delle bombole di Elio di nuovo tipo. L’adattatore è stato fatto nell’officina della base dal capo tecnico Stephane Calvo (vedi la foto).

25

III.

La turbolenza del vento ha provocato talvolta la rottura dei palloni facendoli sbattere sulla porta nella manovra di uscita.

Le situazioni più pericolose per il lancio dei palloni sono quando i venti forti provengono dalla direzione SSE (140-170 gradi). In questo caso una volta lanciato il pallone può andare nella direzione della torre di “quiet building” e la sonda può attaccarsi alle strutture della torre. Per evitare questa situazione rischiosa si consiglia di allontanarsi dallo shelter nella direzione Sud alla distanza di non meno di 50 metri. Progetto IPEV #1176 – BSRN (B ASELINE SURFACE RADIATION NETWORK). e PNRA 2009/B.04 Responsabile scientifico: Christian Lanconelli, Boyan Petkov c.lanconelli@isac.cnr.it; b.petkov@isac.cnr.it; m.busetto@isac.cnr.it Radiometri 1. Solar Tracker with 5 radiometers (vicino allo Shelter CARO):

2 Piranometri CM22, Pyrgeometro CG4, NIP Eppley, NIP Kipp&Zonen 2. Ultra Violet Radiometer UVRAD (al tetto di shelter CARO). 3. Albedo Rack (vicino allo Shelter CARO) 4. Albedo 30 m ( alla torre americana)

26

Operazioni di routine Regolarmente seconda necessità riscontrata è stato effettuato il controllo degli strumenti BSRN,

consistente nella pulizia dei due piranometri CM22, del pirgeometro CG4 e dell’ottica dei pireliometri CH1 ed Eppley, nella messa in bolla dei piranometri CM22 e del pirgeometro CG4 e nel controllo del puntamento dei due pireliometri.

Il sensore UVRAD è stato pulito regolarmente seconda la necessità riscontrata. Problemi riscontrati 1) Dopo aprile la porta d’entrata non è risultata più accessibile a causa dell’accumulo di neve. Per accedere

allo shelter si usa attualmente la botola sul tetto del container.

2) La connessione tramite la linea a fibra ottica ha presentato dei malfunzionamenti e alla fine si è interrotta a causa di danneggiamenti del cavo. In questo periodo i dati dallo shelter CARO sono stati scaricati manualmente.

27

Il 20/04/2012 alle 17 LT è stata installata la connessione wireless (NanoStation M5) per sostituire la linea

fibro-ottica rovinata.

3) Il pirgeometro era sempre pulito; i piranometri hanno avuto molto raramente un accumulo di un po’ di

giaccio alle cupole. I problemi più seri sono stati riscontrati per i pireliometri, la cui ottica era coperta dalla neve o ghiaccio molto spesso, e perciò a causa dei venti forti provenienti dal settore N-E-S durante la notte radiometri sono stati fermati e direzionati ad Est.

28

4) Il sensore UVRAD ha presentato una notevole quantità di umidità all’interno della cupola esterna. La pulizia è stata effettuata all’inizio di gennaio e alla fine di ottobre.

Prima la pulizia

Dopo la pulizia

5) Albedo a 30 m alla torre americana

29

Il rack non era installato in bolla.

La brina copre la cupola del radiometro

La pulizia del radiometro upwelling a 32 m

30

Il radiometro upwelling a 32 m dopo l’inverno

Il radiometro upwelling a 32 m dopo l’inverno (avvicinato)

31

REDCAT Web camere Operazioni di routine

Giornalmente sono stati inviati all’ISAC UOS Bologna i messaggi con le immagini acquisite dalla camera direzionata verso la superficie. Problemi riscontrati 1) La camera sky-directed non ha più funzionato dai primi giorni di febbraio. Essa è stata rimossa e portata

al Lab Meteo per verifica. Si è constatato che la camera risultava danneggiata (il corpo plastico era deformato) a causa del sovrariscaldamento.

2) La camera ground-directed ha funzionato quasi normalmente con brevi interruzioni solo per alcuni giorni.

Un caso di fermo si è avuto a febbraio quando a causa del forte vento l’obbiettivo è caduto verso la neve. L’obbiettivo è stato rimesso al suo posto e fissato con un filo elettrico.

Progetto PNRA 2010/A3.05– DECA-POL( exTAVERN) Responsabile scientifico: Vito Vitale Effetti climatici delle particelle di aerosol e delle nubi sottili nell’area del Plateau Est Antartico DMPS (Differential Mobility Particle Sizer) PSAP (Particle Soot/ Absorption Photometer) Operazioni di routine 1) Ogni 20 giorni circa è stato effettuato il refill di butanolo per il funzionamento del CPC. 2) Ogni mese è stato effettuato un controllo del suo flusso di aspirazione. 3) Ogni 10-15 giorni circa a seconda della necessità, si è effettuato il cambio dei filtri del PSAP procedendo

in contemporanea alla calibrazione del suo flusso di aspirazione. 4) Periodicamente seconda la necessità si è pulito l’inlet di prelievo.

32

Innovazioni

Secondo i suggerimenti dei proprietari della strumentazione è stato modificato il sistema di collegamento del DMA al CPC con tubi metallici e di gomma per togliere la valvola a tre porte (vedi la foto dopo la modifica).

Problemi riscontrati 1) La connessione tramite la linea fibra ottica non era stabile e alla fine si è interrotta a causa di danneggiamenti del cavo. In questo periodo i dati dallo shelter CARO sono stati scaricati manualmente. 2) Il CPC ha cessato il funzionamento il 03 marzo a causa della presenza di impurità. La pulizia è stata effettuata il 10 marzo 2012 dopo quale il CPC ha ripreso il funzionamento normale.

33

Progetto PNRA 2009/A3.02 - ABLCLIMAT – Parte SODAR Responsabile scientifico: Stefania Argentini (s.argentini@isac.cnr.it) Studio dei processi dello strato limite planetario a Dome C.

La stazione Sodar è stata installata alla distanza di 500 m nella direzione SSW rispetto alla base. Tutti i PC sono stati sincronizzati a Solar Local Time tramite il programma True Time WinSync che riceve

i dati dalla sala Radio. Questo controllo ha funzionato fino al marzo. Ogni intervento fatto sugli strumenti o sui programmi di acquisizione, ivi incluso il back up dei dati è stato

riportato nel diario di laboratorio e nel diario elettronico sul PC.

34

Operazioni di routine generali Regolarmente (3-4 volte alla settimana) :

Riportare sul diario di laboratorio le condizioni meteo a vista, in particolare eventi estremi (precipitazione e vento). In questi casi si è ricontrollata la strumentazione.

Pulizia dei vari sensori e delle antenne regolarmente o secondo la necessità riscontrata. Innovazioni generali

Nel container Sodar si è installato il sistema wireless WiFi che collegava tutti i PC nel container con il PC centrale al laboratorio MeteoAtmos alla base Concordia.

35

Questa connessione con la rete ha funzionato nel periodo estivo fino al marzo 2012. Sodar SURFACE LAYER MINI SODAR (SLMS) sviluppato all’ISAC/CNR

Il sistema SLMS si basa su una nuova configurazione hardware e software del sodar tradizionale. È stato concepito per ridurre al minimo la componente elettronica del sistema. Due schede National Instrument installate su un PC avente buone prestazioni permettono il completo controllo dei parametri del sistema e di gestire ed elaborare direttamente con un software dedicato (Sodar2004) le caratteristiche dei segnali, sia in emissione che in ricezione. Il nuovo sistema è stato pensato per aumentare la risoluzione verticale e temporale, e per abbassare la prima quota di misura nei primi metri dello strato superficiale dove i processi di scambio turbolento tra il suolo e lo strato limite sono particolarmente intensi e poco studiati. Le schede National costiuiscono il core “elettronico“ del sistema: hanno il compito di generare il segnale che viene emesso e di elaborare il segnale ricevuto. Ogni scheda (device) è predisposta per il funzionamento di 2 canali. I segnali generati dalla schede, attraverso un'interfaccia (IN) passano a due linee indipendenti di trasmissione/ricezione. Ogni linea TX/RX è collegata ad un’antenna attraverso il Preamplificatore (PreA) in cui due circuiti gestiscono la trasmissione e la ricezione del segnale. La scheda genera inoltre un segnale di controllo per l’emissione dell’impulso acustico da emettere che attraverso un Amplificatore di potenza viene trasmesso al PreA e quindi al driver. Configurazione operativa a DC

Il sistema è costituito da quattro antenne. Una antenna è utilizzata per la ricezione degli echi atmosferici e tre antenne sono utilizzate per l’emissione degli impulsi acustici simultanei e alla stessa frequenza. Le tre antenne emittenti sono disposte simmetricamente intorno all’antenna di ricezione. Antenne emittenti

3 antenne horn e 3 driver Altec (8 Ohm ) Il driver Altec per le tre antenne emittenti è montato direttamente all’estremità dell’antenna; a causa dei

diversi diametri del driver e della flangia dell’antenna un adattatore di PVC è montato tra le due aperture

36

Antenna ricevente 1 antenna parabolica (diametro 120 cm). 1 driver Elettrovoice ( 16 Ohm)

L’antenna ricevente è di tipo parabolico. Al driver è applicata una tromba direzionale la cui estremità aperta è posta nel punto focale della parabola. L’antenna va schermata per ridurre gli effetti del rumore ambientale. La schermatura è costituita da 4 pareti 2 x 1.5 m rivestite con fonoassorbente che vanno appoggiate sulla base e fissate tra loro con degli angolari in ferro. Le pareti sono marcate per facilitarne il montaggio. Un telaio di ferro diviso in due parti chiude il bordo superiore dalla struttura. È preferibile montare inizialmente solo le prime 3 pareti e verificare il funzionamento del sistema. In ogni caso lo sportello dell’ultima parete permette l’accesso al driver e all’antenna dall’esterno in caso di necessità.

Il sito è costituito da un piattaforma, su cui posizionare le antenne e un container in cui allocare il sistemi di acquisizione del Sodar e del Meteoflux.

Il sito deve sufficientemente distante da ostacoli o sorgenti di disturbi acustici. La piattaforma di appoggio (neve) del sistema deve essere livellata e pavimentata. Se è costruita in legno o ferro non deve essere pavimentato.

La base dell’antenna ricevente del sodar costituisce il riferimento di tutto il sistema. Le antenne Horn sono sistemate simmetricamente a 120° su un piano orizzontale una dall’altra intorno

all’antenna di ricezione, avendo cura di orientarle con i trasduttori verso l’esterno della configurazione. Durante tutto l’inverno è stato verificato che non ci fosse accumulo di neve all’interno delle antenne e

della parabola. L’ancoraggio dell’antenna ricevente e il blocco al pavimento della piattaforma non è stato necessario.

37

Esempi dei record facsimile del sodar

38

39

40

Applicazione delle misure del sodar al problema del l’astroclima.

Time series of turbulent optical factor measured by sodar for 3 layes (top panel – 1-hour average) and

seeing measured by optical method DIMM at 2 heights (middle panel – 2-min average, bottom panel – 1-hour average)

Correlation between turbulent optical factor values measured by sodar and seeing measured by optical method DIMM at 2 heights

41

Operazioni di routine I. Cambio dei parametri del sodar ogni 15 giorni. Sono stati usati due modi di funzionamento:

1. Modalità high-resolution. Frequenza 4850 Hz, durata dell’impulso 10 ms, 2. Modalità long-range. Frequenza 2000 Hz, durata dell’impulso 200 ms,

II. Scarico dei dati grezzi e preelaborati ogni 15 giorni. III. Pulizia delle antenne regolarmente, secondo la necessità riscontrata.

42

Innovazioni 1. È stata fatta una tromba esponenziale per il trasduttore di nuovo tipo BMS con calamita a neodimio.

Problemi riscontrati I. La connessione wireless WiFi tra lo shelter Sodar e la base si è interrotta all’inizio di marzo. Non si è riuscito ad accertare la causa del malfunzionamento e a ripristinare la connessione. ANEMOMETRO ULTRA-SONICO METEK USA-1

Esso è stato utilizzato per le misure delle caratteristiche della turbolenza. Il sonico è stato installato inizialmente a quota di 3.5 m. Una protezione termica con un riscaldamento è

stata installata alla base del sonico durante il periodo invernale come mostrato in figura:

Il box di acquisizione con il sistema Meteoflux è stato collocato sotto la neve come in figura:

43

Operazioni di routine I. Subito dopo l’installazione è stato effettuato il controllo del livello del rumore interno del sonico.

II. Back up sia dei dati grezzi che di quelli rielaborati mensilmente. III. Creazione di un database in formato Matlab dei dati grezzi a 10 Hz (mensilmente). IV. Preelaborazione dei dati per avere l’andamento mensile delle variabili misurate (mensilmente).

44

Net-Radiometri set CNR 1 Keep & Zonen Lo strumento è stato montato su un braccio a quota iniziale 1.5 m.

Operazioni di routine I. Pulizia dei sensori (con una pistola termica e un panno morbido) regolarmente secondo la necessità riscontrata. II. Back up sia dei dati grezzi che di quelli rielaborati mensilmente. III. Creazione di un database compatto in formato Matlab dei dati grezzi a 10 Hz (mensilmente). IV. Preelaborazione dei dati per avere l’andamento mensile dei variabili misurate (mensilmente).

Termometri della neve e Piastra di Flusso Temperatura della neve e misura del flusso di calore.

I termometri e la piastra di flusso sono stati montati in prossimità del palo del sonico ad una profondità di: 5, 15, 30 cm i termometri, 10 cm la piastra.

Prima dell’installazione è stata fatta la procedura dell’intercalibrazione, in cui i termometri sono stati messi alla stessa profondità per determinare la differenza tra le loro misure. I risultati dell’intercalibrazione sono stati usati per la correzione delle misure.

45

Ogni intervento fatto sugli strumenti o sui programmi di acquisizione, ivi incluso il back up dei dati è stato riportato nel diario di laboratorio e nel diario elettronico sul PC. Operazioni di routine I. È stata effettuata regolarmente secondo la necessità riscontrata la pulizia dell’area intorno ai sensori. II. Mensilmente si sono scaricati i dati del datalogger CR10X sul PC e archiviati sul PC centrale in Laboratorio. III. Si sono verificati ed elaborati i dati mensili, per la creazione di un database compatto in formato Matlab (mensilmente) IV. Preelaborazione dei dati per avere l’andamento mensile delle variabili misurate (mensilmente) (vedi il grafico su). Innovazioni 1. Nel box Meteoflux si è installata l’interfaccia Campbell SC32A per il collegamento remoto tra il PC e il sistema di acquisizione Meteoflux che ha permesso lo scarico remoto dei dati senza i moduli di memoria. 2. Sui PC dedicati al Meteoflux e Sodar si è installato il software VNC per consentire uno scarico da remoto dei dati. 3. Nel container Sodar si è installato il sistema wireless WiFi che funzionava nel periodo estivo fino al marzo 2012. Problemi riscontrati 1. Abbassamento del livello “0” dei termometri della neve e della piastra di flusso di calore durante l’inverno. È necessario allontanare la loro posizione dal palo per evitare l’accumulo della neve.

46

ABLCLIMAT – Parte Tropospheric Ozone Responsabile scientifico: Paolo Cristofanelli p.cristofanelli@isac.cnr.it; p.bonasoni@isac.cnr.it; f.calzolari@isac.cnr.it Misure di concentrazione di gas in traccia a Dome C (O3)

Thermo O3 analizzatore

DASIBI O3 analizzatore

47

Tubazione Inlet Operazioni di routine 1) In ottobre sono stati cambiati i filtri degli inlet per entrambi gli analizzatori O3. 2) In ottobre è stata fatta la procedura della calibrazione del sensore di pressione del Thermo. Innovazioni A gennaio è stato installato un altro analizzatore O3 DASIBI allo shelter CARO. Problemi riscontrati

Dal momento dell’avvio delle misurazioni il DASIBI fornisce misure in media intorno ai 20 ppbv, mentre il Thermo fornisce valori misurati intorno 30 ppbv, le quali corrispondono con le misure dall’altro analizzatore O3 Thermo 49i di LGGE installato nel laboratorio Glacio.

In maggio è stato eseguita una prova per cercare la presenza di una fuga nelle tubazione dello strumento. Non è stato trovato niente.

2) Il software di acquisizione del Thermo si blocca periodicamente (circa 1 volta in mese) a causa dell’errore 1073807253 at VISA Read. CALVA Responsabile scientifico: Christophe Genthon ( genthon@lgge.obs.ujf-grenoble.fr) 1. Misure della temperatura, dell’umidità e del ven to a 6 livelli.

Sulla torre americana sono installati Anemometri Young e termoigrometri Vaisala HMP155 a sei livelli: 6, 12, 18, 24, 30, 36 m .

All’inizio e alla fine dell’inverno si è partecipato alla pulizia dei sensori insieme con il responsabile Sebastian Aubin.

48

2. Frost-point thermo-hygrometer VTP6. Esso non ha più funzionato dall’inizio di Febbraio. Tutti i tentativi per far ripartire il software di

acquisizione da remoto dal PC Pymilos e direttamente dal PC LGGE (03/03/2012) non hanno avuto successo. Informazioni con la descrizione dettagliata del problema sono state inviate a C.Genthon.

Dall’LGGE si è saputo che il componente guasto verrà inviato la prossima estate.

49

50

VARIE Nel seguito sono presentati i valori estremi delle variabili meteorologiche, separatamente per ogni mese.

ESTREMI del 2011 Dicembre 2011 Temperature estreme: Tmax= -18 °C 11/12/2011, 13:38 Tmin= -43 °C 15/12/2011, 1:34 Pressioni estreme: Pmax= 655 hPa 18/12/2011, 17:2 Pmin= 635 hPa 1/12/2011, 0:0 Venti estremi: Vmax= 12.9 m s-1 Dir= 98 29/12/2011, 14:21 ESTREMI del 2012 Gennaio 2012 Temperature estreme: Tmax= -16.2 °C 12/1/2012, 16:13 Tmin= -47.1 °C 29/1/2012, 2:54 Pressioni estreme: Pmax= 652 hPa 10/1/2012, 6:44 Pmin= 636 hPa 30/1/2012, 10:0 Venti estremi: Vmax= 10.2 m s-1 Dir= 198 6/1/2012, 12:55 Febbraio 2012 Temperature estreme: Tmax= -30.1 °C 7/2/2012, 15:42 Tmin= -58.7 °C 27/2/2012, 3:58 Pressioni estreme: Pmax= 658 hPa 20/2/2012, 19:53 Pmin= 635 hPa 1/2/2012, 14:23 Venti estremi: Vmax= 10.7 m s-1 Dir= 140 19/2/2012, 17:46

51

Marzo 2012 Temperature estreme: Tmax= -28.1 °C 15/3/2012, 14:34 Tmin= -69.4 °C 31/3/2012, 5:24 Pressioni estreme: Pmax= 652 hPa 14/3/2012, 21:46 Pmin= 633 hPa 20/3/2012, 23:31 Venti estremi: Vmax= 9.72 m s-1 Dir= 170 11/3/2012, 10:10 Aprile 2012 Temperature estreme: Tmax= -47.2 °C 5/4/2012, 9:29 Tmin= -74.5 °C 21/4/2012, 18:12 Pressioni estreme: Pmax= 657 hPa 3/4/2012, 2:28 Pmin= 627 hPa 27/4/2012, 1:36 Venti estremi: Vmax= 8.28 m s-1 Dir= 186 24/4/2012, 22:46 Maggio 2012 Temperature estreme: Tmax= -27.5 °C 10/5/2012, 0:27 Tmin= -78.8 °C 28/5/2012, 8:58 Pressioni estreme: Pmax= 665 hPa 11/5/2012, 15:58 Pmin= 621 hPa 25/5/2012, 4:1 Venti estremi: Vmax= 11.8 m s-1 Dir= 120 1/5/2012, 10:11 Giugno 2012 Temperature estreme: Tmax= -26.6 °C 13/6/2012, 19:14 Tmin= -77.5 °C 9/6/2012, 0:58 Pressioni estreme: Pmax= 658 hPa 29/6/2012, 11:14 Pmin= 620 hPa 2/6/2012, 9:27 Venti estremi: Vmax= 9.72 m s-1 Dir= 342 13/6/2012, 22:15 July 2012 Temperature estreme: Tmax= -45.1 °C 21/7/2012, 17:1 Tmin= -80.5 °C 12/7/2012, 2:49 Pressioni estreme: Pmax= 649 hPa 1/7/2012, 0:0 Pmin= 611 hPa 20/7/2012, 0:21 Venti estremi: Vmax= 10.4 m s-1 Dir= 133 19/7/2012, 19:9 Agosto 2012 Temperature estreme:

52

Tmax= -43.1 °C 18/8/2012, 8:48 Tmin= -77.5 °C 20/8/2012, 23:9 Pressioni estreme: Pmax= 653 hPa 25/8/2012, 18:29 Pmin= 619 hPa 18/8/2012, 23:48 Venti estremi: Vmax= 8.9 m s-1 Dir= 150 11/8/2012, 5:34 Settembre 2012 Temperature estreme: Tmax= -46.3 °C 22/9/2012, 12:51 Tmin= -76.1 °C 15/9/2012, 2:50 Pressioni estreme: Pmax= 651 hPa 21/9/2012, 12:3 Pmin= 620 hPa 17/9/2012, 0:33 Venti estremi: Vmax= 9.72 m s-1 Dir= 126 22/9/2012, 15:39 Ottobre2012 Temperature estreme: Tmax= -41 °C 12/10/2012, 12:5 Tmin= -66.4 °C 5/10/2012, 5:2 Pressioni estreme: Pmax= 652 hPa 18/10/2012, 17:34 Pmin= 621 hPa 1/10/2012, 0:0 Venti estremi: Vmax= 10 m s^-1 Dir= 176 3/10/2012, 10:1

53

IPEV Program #209 NDACC Antarctica Concordia station – SAOZ measurements. Winter2012/Summer2013 On site personal Eric Bondoux – IPEV VSC

Campaign Summary This program is about the long‐term monitoring of polar stratospheric ozone as well as satellite

measurement validation above the Concordia Station. Measurements in O3 and NO2 at Concordia are in average located at the center of the ozone hole. These measurements complement those acquired at the Dumont d’Urville Station, on the verge of the polar vortex. Both- stations are part of the NDACC international network for SAOZ measurements.

The UV‐visible SAOZ spectrometer installed at Concordia during the 2007 summer campaign is continuously in operation. The raw and processed data files are sent in real time to the institute every day. They are available on the SAOZ website: http://saoz.obs.uvsq.fr/saoz/L1_doAAAA.png , AAAA coding the year.

For the winter 2012 season, SAOZ measured the total vertical ozone and NO2 column most of the time except during the polar night and some time periods not exceeding 15 days due to technical problems with the instrument: the acquisition computer experienced software failures and remote access to this device is now. The lack of real time data is also related to resetup of the informatics after moving the instrument as the 2013 overwintering personal Antonio Litterio had to do on December 15th, 2012. He still could solve this issue very rapidly and most of the data are now recovered

Nuit polaire

. Figure 1. SAOZ measurements in the morning (blue) and evening (red) of the ozone total column. Due to the absence of light during the polar night, no data are to be reported during this period. International Collaboration

The instrument is part of the NDACC measurement network and data are delivered to their database after validation. Dr. G. Giovanelli, Dr. Vito Vitale, Institute of Atmospheric Sciences and Climate, (ISAC) ‐National Research Council (CNR)

Environmental Impact No relevant environmental impact to be reported as the SAOZ spectrometer is an encased autonomous

passive instrument using no external consumables nor producing any waste.

Logistics Formation of the overwintering personal Antonio Litterio has been very effective and allowed him to

quickly install the SAOZ and associated light receiving tube in proper place. We are therefore very favorable

54

to the continuation of this formation on the coming years. Real time data processing on v2 data version instead of the actual v1 will be deployed in the coming campaign. V2 data can retrieve more important ozone concentrations than the ‘consolidated’ data version.

Reporters Andrea Pazmino –Julien Jumelet, LATMOS CNRS/IPSL, France.

55

IPEV Program #414 – CESOA-DC

Scientist on the field: S. Aubin Report on the field campaign

This winter campaign had many scientific objectives: - To continue the aerosol sampling to document the long term evolution and variability of particulate sulfur

species on the Antarctic plateau (CESOA observatory). - To conduct year round sampling of SO2 gas on the Antarctic plateau. - To conduct year round DMS and DMSO measurements (CESOA observatory). Activity conducted at DC between the 26.12.11 and t he 05.12.12

All the activities planned have been conducted during the 2012 winter. • 50 weekly aerosol samplings (low volume as well as high volume) and 10 filter blank. • 47 weekly samplings of acidic gases using denuder tubes; all samples have been analysed on the

field by ion chromatography. • 68 DMS and 273 DMSO samplings and gas chromatography analyses conducted in the field-

Problems faced

No particular problems encountered this year, apart from analytical problems. The CESOA ultrapure water production unit became out of order in November. It was replaced by the Italian device (the ultrapure water production unit is shared in Lab 34 by the different glaciology or atmospheric chemistry programs). The CESOA device has been repaired in December, except one spare piece that has to be changed during summer 2013-2014. Also, in August, the hydrogen pressure regulator had to be changed due to a leak caused by the cold temperatures on the roof of Concordia. Both damages had no significant consequences on the measurement time series. Good listening and help from the logistic staff on the field throughout the year.

It has however to be noticed that the workload of the VIE overwinter dedicated to the CESOA observatory increase regularly each year. The VIE is now shared with many other LGGE programs. This is a good thing since it is useful to have a single contact for all of us, but we should be aware that every day intense routine work throughout the year remains a hard task. This was particularly critical in 2012 when in spring a supplementary 2 hour daily task was request to prepare the summer campaign. To prevent Sébastien from strain, we had to reduce his scientific activity. I think such a situation should be avoided in the future.

Grenoble, 26.02.2013 Bruno Jourdain

56

IPEV Program #903 – DC Chimie Scientist on the field: S. Aubin Report on the field campaign

This winter campaign had many scientific objectives: - To continue the aerosol sampling to document the long term evolution and variability of these

species on the Antarctic plateau (Sea salt, Nitrate species). - To conduct year round sampling of acidic gases (HCl, HBr, HNO3, organic acids) on the Antarctic

plateau. - To continue the pluriannual ozone monitoring.

Activity conducted at DC between the 26.12.11 and t he 05.12.12

All the activities planned have been conducted during the 2011 winter: • 50 weekly aerosol samplings (low volume as well as high volume) and 10 filter blanks. • 47 weekly samplings of acidic gases using denuder tubes; all samples have been analysed on the

field by ion chromatography. • continuous ozone measurement.

Problems faced

Few problems encountered this year. The ozone analyser pump had to be replaced in April. Routine maintenance of aerosol sampling lines. Grenoble, 26.02.2013 Bruno Jourdain

57

IPEV Program #906 Seismology at Concordia

Erick Bondoux, winter-over Dec 2011 - Dec 2012 Antonio Litterio, CE and winter-over, Nov 2012 - year 2013

Scientific objectives of the project The program has two main goals: the maintenance and operation of the Concordia seismic station, and

the deployment of a seismometer array on the Antarctic plateau. The observatory-quality station, CCD, one of only two in the interior of the continent, contributes strongly to studies of earthquake sources and Earth structure. The seismometer array permits the observation of low-energy seismic waves.

The 2012-2013 summer campaign aimed at upgrading equipments and solving problems documented during winter-over at the observatory station, and at installing new generation equipments at one of our autonomous station test site for testing it all along 2013, in view of further deployments.

Activity conducted on the field 1. Observatory seismological station CCD

No serious problem occurred during the winter-over 2012. Data were properly acquired, locally stored, and transmitted for about 99.4% of the time, thanks to the redundancy of the two systems we operate in parallel. About 55 hours of signal were lost in 2012, mainly due to long power black-out at the seismo shelter that could not be compensated by our batteries. The quality of the recorded signals was much better than in previous winter-over, thanks to the removal of most undesirable electrical pulses during the coldest part of the year, which we explain by the installation of a new teflon cable done in CE 20112012. We still suffered repeated cuts in the transmission between the seismo shelter and the Base, which again induced a large amount of extra work for the manual recovery of un-transmitted data. We hope this problem has been solved by the installation of a new optical fiber in CE 2012-2013.

The summer campaign was much more difficult. Due to strong logistic perturbations after the Astrolabe ship was blocked in the ice, Sylvain Morvan was unable to reach Concordia. We thus had to considerably reduce our program to concentrate on those of the most crucial operations that could be done by A. Litterio alone, with the minimal training he got in our lab in Oct 2012. Indeed, our initial plan was, as usual, to have the maintenance operations done mainly by S. Morvan, teaching and training A. Litterio at the same time.

The observatory equipments needed repairs of minor problems that had occurred during the winter, routine monitoring of their state of health, and upgrades for keeping them at peak performance. The following operations were conducted:

1. Seismometers 1. Trillium T240 reinstalled in order to reduce/remove the observed spurious LP noise that

appeared again during winter 2012 2. Trillium T240 re-levelled an re-centered 3. Streckeisen STS2 re-levelled an re-centered

2. Other equipments 1. Inspection of the ongoing seismo vault floor deformation: no noticeable evolution 2. removing of snow wherever needed in the vicinity of the seismo shelter and seismo vault 3. cleaning and re-ordering of our spare equipments, including the lot of batteries previously

used for autonomous stations and to be used in future deployments. It is important to note here that we lack a place where to store our equipments. A container would be a

convenient solution for most of our equipments, that do not need to be heated during winter. Another container dedicated to batteries, with some heating (-30°C), could be shared with other programs facing the same battery storage problem.

2. Seismometer array -CASE-IPY experiment After the end of the CASE project in early 2012 (5 seismological stations between Concordia and Vostok),

we are now preparing the next deployment of autonomous stations by testing a new generation of equipments. We currently operate 3 autonomous stations deployed on a 5 km circle around Concordia. We planned to equip one of them with a new data logger during CE 2012-2013. Due to the absence of Sylvain Morvan who is the knowledgeable person for that, we managed to have the installation done at CAS03 by A. Litterio under our guidance. The station was in operation at the time A. Litterio left it. However, we did not manage to establish the data transmission to the base yet, so we are not able to get information from it.

The routine tasks (data collection, replacement of memory cards) have been done at all 3 autonomous stations (CAS01, CAS02, CAS03).

58

Main results obtained

CCD data from both seismometers have been collected and are now distributed through the Geoscope facilities -long period noise and electrical parasites have been efficiently removed, thus improving the quality of the station to its best level yet -a new generation equipment has been installed and is now under test at the autonomous station CAS03 -critical tasks have been completed despite of the logistics perturbations, ought to the considerable efforts deployed by Antonio Litterio for compensating the absence of Sylvain Morvan.

Problems faced - A defective IP link between seismo shelter and Concordia base has seriously impaired the continuity of

our data streams during 2012 winter-over, even though few samples were finally lost. We hope this problem has been solved by the installation of a new optical fiber in CE 2012-2013.

- the Astrolabe re-scheduling impacted us severely. Several routine tasks were not carried out as planned but instead were done a minima, such as the cleaning and reordering of batteries

- we would particularly appreciate the possibility once mentioned to have a direct access to our observatory computer (through a SSH connection, for instance), that would allow to solve much more rapidly a number of routine questions, and would open good perspectives of quasi-real time data transmission of our observatory data.

59

IPEV Program #908: AstroConcordia [P.I. L. Abe]

Scientists on the field at Concordia: winterover 2012: G. Bouchez, summer campaign 2012-2013: A. Agabi. Forewords

The AstroConcordia program mainly aims at characterizing the Concordia site for astronomical purposes. After more than 10 years of more and more refined measurement have resulted in a good knowledge of the atmospheric turbulence structure and dynamics, IPEV and INSU have decided to stop the program by the end of 2012 (decision taken in June 2010). All AstroConcordia program instruments have been stopped during the summer campaign 2012-2013, except the PBL that was granted special permission to operate in automatic mode during the winter 2013. The PAIX instrument has also an undefined status: it is not a site-testing instrument, but an “astrophysical” instrument. PAIX has been proposed as a full independent program starting from 2013. We had only one winterover personnel available for both AstroConcordia and ASTEP programs, and the priority was clearly set to the ASTEP 400 telescope operation. In addition to this our winterover lacked specific technical skills and astronomy knowledge that lead to very little scientific data production. Science Objectives of the Project and the Campaign

The AstroConcordia site-testing instruments need to operate as turbulence monitoring instruments for the existing scientific instruments on-site (PAIX, ASTEP and forthcoming ones like IRAIT). Our site-characterization instruments are also being considered for use by the astronomical Antarctic community in the framework of other astronomical polar sites (Domes A and F). The comparison of several Antarctic sites (Dome C, Dome A and Dome F) is of high relevance for possible future international astronomical polar observatories.

The experiments planned to be operated during winter 2012 were the following: � DIMM (8m): Measurement of the seeing on top of one of the AstroConcordia arch. � DIMM-Toit (20m) : Measurement of the seeing on top of the roof of the quiet building. � DIMM-ISOP: Measurements of the isoplanatic angle (using one of the two GSM telescope, that was

stopped this year 2012). � PBL : Monitoring of the vertical profiles of the turbulence and the outer scale from lunar/solar limb

observations (second year of operation). � SONIC anemometers: monitoring the temperature, wind speed vector and turbulence in the first 45 m

above the ground (continuation of a previous program). � PAIX: Long-term precision photometry of variable stars in 3 wavelength bands (continuation of a previous

program). Activity Conducted on the Field DIMM (8m), DIMM-Toit (20m) and DIMM-Isop

The DIMM, or “Differential Image Motion Monitor” is a telescope equipped with a mask with sub-apertures of diameter 6 cm separated by 20 cm. It produces two images of a bright star (Canopus) on a CCD camera located in a thermo-regulated box at the telescope focus. The star images move randomly because of the turbulence, this differential motion gives a measure of the astronomical seeing. One value of the seeing is provided every 2 minutes. The DIMM is the oldest AstroConcordia instrument in operation. First tested in the summer campaign 2002-2003, it observes continuously and provides seeing monitoring since December 2004.

This year, the DIMM (8m) and DIMM-Toit (20m) did not produce much data. The main reasons are: � a single winter-over personnel and a reduced priority of the AstroConcordia program, � some difficulties to operate the telescope (initial pointing and tuning).

60

Fig. 1: Left, the DIMM system. Note the 2 hole mask at the telescope top. The box at telescope back contains the camera. Right : typical short-exposure frame of the star Canopus at the focus. The two images move with turbulence. Analysis of their differential motion provides the seeing.

The figure below shows the statistics of seeing measurements for both instruments. They confirm the

result obtained from previous years: at 20m, the probability of being out of the planetary boundary layer is higher than at 8m, with 2 distinct regimes (inside or outside the layer, i.e. a very thin transition layer of a few centimeters).

Fig. 2. Seeing statistics for DIMM (8m) and DIMM-Toit (20m) from April to October 2012.

The DIMM-Isop has been collecting data, but the automatic reduction software was oftentimes not working due to spurious pixels on the camera so the data need to be re-analyzed properly. This work is in progress. PBL

The latest developments in optical site characterization instrumentation gave rise to the PBL (Profileur de Bord Lunaire or Lunar Limb Profiler). Like SSS, this instrument is a “profiler” since it aims to provide vertical profiles of turbulence (structure constant Cn²(h) and outer scale L0(h)). These profiles are derived from short-exposure images of the limb of the Moon (of the Sun in daytime). Two sub-apertures are placed on the entrance pupil, and an optical set-up provides two mirror images of the same lunar limb. Every 5min, a cube of 1000 images is registered when the Moon is high enough in the sky (elevation >20°). These images are stored for off-line processing that consist of a) extracting the limb coordinates for the images and b) calculating the turbulence profiles. Step (a) could be performed here at Dome C using a Matlab program developed by A. Ziad. The figure below shows an example of a set of 1000 lunar limbs obtained during the winter 2011. The data processing programs are still under development; in the near future we expect to provide real-time limb extraction.

61

Fig. 3. Left: PBL on its telescope, observing the Sun (Oct 2011). Right: optical bench of PBL in the AstroConcordia shelter. (Photos : E. Aristidi) PBL is expected to have a very fine vertical resolution, better than SSS and perfectly suited for the thin planetary boundary layer characterization (few tens of meters). It gives direct (i.e. model-independent) measurement of parameters such as the isoplanatic angle. A drawback of this experiment is its discontinuous time coverage because of its need to point at the Moon or the Sun.

Fig. 4. Left: instantaneous twin images of the lunar limb. Right: plot of the profiles of the upper limb obtained on a cube of 1000 images.

PBL was carried to Dome C and installed during the summer campaign 2010-2011. The amount of data generated by PBL is huge: one 1000-images cube represents 600 MB and a typical

night generates about 50 cubes (30 GB). For the whole year we obtained 3600 lunar limb cubes and 2000 solar limb cubes (see Figure 14). That represents nearly 5 TB of data, including calibration images (flats/darks and images of binary stars for scale calibration).

The figure below shows very preliminary results from PBL obtained during winter 2011. The data reduction routine (heavy inversion algorithm) is still under tuning and adjustment, but this preliminary data are promising.

62

Fig. 5. Comparison sample of the measurements of the Fried parameter r0 with different instruments of the Astro-Concordia platform. The PBL results are shown as blue circles and are consistent with GSM and DIMM instruments.

SONIC

This experiment is a collaboration between the Laboratoire Fizeau (University of Nice), the LGGE (University Joseph Fourier, Grenoble) and Caltech. It consists of a set of 6 Sonic anemometers developed by Applied Technologies Inc., and modified to run in Antarctic conditions. These anemometers estimate the temperature and the three components of the wind speed vector from ultrasound emission. Thanks to the high frequency of the measurements it is possible to derive turbulence data, i.e. the refractive index structure constant Cn².

Fig. 6. A sonic anemometer (Photo E. Aristidi) The sonics are placed on the 45m 'American' tower, at elevations 8m, 16m, 23m, 30m, 39m and 45m,

and aim to monitor the properties of the turbulent surface layer in the first 45m above the snow. They are complementary to experiments such as SSS and PBL, providing better vertical resolution near the ground. SONIC is a fully automatic experiment which requires only a manual defrosting from time to time (typically once a week).

The 3 first sonics were deployed in 2007, then the 3 other anemometers were installed at the beginning of 2008. One sonic broke down at the end of 2009, then two others at the beginning of 2011. So that only 3 sonds were available for the present winterover, which were redeployed at elevations 8m, 23m and 39m.

Fig. 7. Histogram of Cn2 at a height of 31m (arbitrary unit) during the month of April 2012. The bimodal structure of this histogram shows the clear separation between low turbulence (left part) and high turbulence (right part) regimes (inside or outside the planetary boundary layer). This also shows that the average height of the planetary boundary layer was approximately 31m at that period of the year (the two parts are nearly identical).

63

Fig. 7 shows a histogram of the turbulent energy (the so-called Cn2) at 31 m from the April data. This result confirms that

Data collection worked well until April after which the heating circuit (vital to prevent frost formation) was found to be miscabled by our winterover. Data after that time were therefore irremediably corrupted. Problems

After some manipulations from our winterover personnel, there was a cabling error regarding the temperature regulation of the SONICs. All data after April are therefore not exploitable. PAIX

PAIX is a photometer dedicated to the observation of pulsating stars. It was installed at Concordia in December 2006. PAIX is made with a SBIG Camera at the focus of a 40 cm Ritchey-Chrétien Meade telescope, driven by an AstroPhysics 1200 equatorial mount. The SBIG camera is encapsulated in an aluminum box which is thermo-regulated to cope with polar night conditions. It is equipped with a filter wheel and a focusing device. Figure 8 shows the whole device installed about 3 m above ice level.

Fig. 8. The photometer PAIX installed at Concordia (Photo D. Mékarnia)

The control PC of PAIX crashed at the beginning of the winter. Our winterover was unable to quickly

repair the damaged PC so that it could not be operational during most of the winter period. After the PC was fixed, we found out that the camera had some problems, probably due to the filter wheel and/or electrical connections. Some mechanical problems on the mount were also reported. Again, the lack of experience of our winterover regarding this kind of equipment resulted in the inability to cope with this failure.

As a consequence, the PAIX instrument did not record any exploitable data during the winter 2012. The PAIX instrument is being automated for the coming campaigns 2013-2014 with the aim to make it sufficiently robust to be operated remotely (as it is almost the case for the ASTEP instrument). General Remarks � The winter 2012 has been a particular one since our winterover was alone, with no particular knowledge

in astronomy. This situation resulted in our difficulty to find astronomy-skilled winterover candidates (regarding both basic knowledge and dedicated technical equipment knowledge). This had significant impact on the program since, for example, the PAIX instrument could not be operated after a PC failure occurred at the beginning of the winter, with difficulties to diagnose the cause of a malfunction of the instrument camera in cold environment.

� More automated instruments like PBL (and ASTEP 400) could be operated without particular problems. � There were a lot of electrical problems this winter, though the whole installation in the shelter was revised

before the winter by the IPEV electrician. However, the situation was even worse than last year. A lot of power failures occurred, which needed someone to go to the shelter and switch the power on. These failures could occur when an electrical device was switched on. The AstroConcordia shelter was the only shelter to have this problem.

� We are glad to mention that the permanent internet connection was really helpful this year, allowing us to put the basis of real-time monitoring of our experiments (for the ASTEP 400 instrument in particular).

64

IPEV Program #1066 ASTEP Scientists on the field at Concordia winterover 2012: G. Bouchez summer campaign 2012-2013: A. Agabi, J.-P. Rivet, D. Mékarnia and H. Faradji (winterover 2013).

Figure 1. ASTEP-400 at left and . ASTEP-South at right, in operation at Concordia (Photo: D. Mékarnia). Science Objectives of the Project and the Campaign

The experiments conducted within the ASTEP program are as follows: � ASTEP-South : Is a fully automatic fixed photometer pointing towards the celestial South pole, in operation since 2008. It is a precursor to the ASTEP-400 Telescope. � ASTEP-400: Is the main instrument of the ASTEP program. It is a 40 cm Newton telescope, built to perform high precision photometry. ASTEP-400 has been in operation since 2010 and is working in quasi-automatic mode (i.e. automatic for a given observed field). Activity Conducted on the Field ASTEP-South Observations

Observations start automatically at the end of February, when the Sun elevation is less than -5° and are stopped automatically at the end of September when the Sun elevation is always greater than -5°. The instrument worked well and required only limited maintenance. The main action for the winterover astronomer was to check every day the entrance lens of the instrument, and to remove snow deposits when necessary, particularly after white-out periods. We never noticed any frost deposit. Another item action for the winteroverer was to adjust the pointing of the instrument, but this action was performed only twice during the season. However, some problems occurred during 2012 (see below) and the ASTEP-South camera had to be shipped back to Nice for repairs. ASTEP-South will not be operating during the 2013 season. ASTEP-South Main Operations � Observations started automatically in the last week of February. � In March, we adjusted the position of the pole on the CCD and installed new versions of the pre-process routines 'station' and 'control'. We had a problem with the Run-ASTEP acquisition software which skipped the Science frames, recording only Bias frames. The bug was due to the “Display” function of the software, when switched to 'On'. The software worked perfectly since we disabled this function. � In April, we noted that the shutter of the FLI Camera did not close well. We solved this problem by raising the temperature of the electronic box; from -20°C to -10°C (the Camera will be removed during the summer campaign to improve its electronics and the heating of the shutter). We increased the CCD temperature regulation from -35°C to -30°C to reduce the CCD temperature variations. � In July, the COM1 serial port of the PC acquisition broke down (possibly because of bad weather conditions and strong wind). This port is used by the regulation temperature software to communicate with the Eurotherms devices. We fixed this problem by switching to another serial port (COM4). � The instrument was switched off at the end of September, because of permanent daylight.

65

Unfortunately, during the summer campaign (November 2012), we noticed that the camera did not function properly and that we would not be able to use it during the 2013 campaign. We discovered that both the instrument and the thermal regulation had been switched off at the end of the observation season while the thermal regulation should have remained on. The camera thus experienced cold temperature much beyond its specifications. The ASTEP South camera has thus been shipped back to Nice for repairs. We hope to be able to bring it back to Concordia for the 2014 campaign. ASTEP-400 Observations

At the beginning of winter, when dark night conditions were inadequate, we made a continuous observations of α Cen with the summer configuration of the instrument [Hα filter on the scientific camera and the density filter on guiding camera]. We started our 'transiting search' programme at the end of March, when the darkness fraction of time was sufficient for doing photometric observations. Before starting this program, we put the instrument into the 'winter' configuration (i.e. we removed the Hα and density filters). We observed 10 fields, each of 1 sq.deg. for periods between 3 and 60 days, in regions close to the galactic plane (see log below).

We collected a total of 8 TB of data. We stopped this program at the end of September and configured the instrument for summer observations. Hence, we put the Hα filter in front of the Science camera and a filter density on the Guiding camera. We observed again α Cen until the beginning of the summer campaign. We stopped the α Cen observations and began maintenance of the instrument.

The table below is the list of the winter 2012 observations. The last 3 fields (F-2012-08, -09 and -10) have been observed jointly with our German collaborators from DLR.

Log of ASTEP-400 observations

Field Name Observation start Observation End Guide Star ID Guide RA Guide DE F-2012-01 11/04/2012 26/04/2012 TYC 8728-152-1 17 21 51.0 -53 00 22.1 F-2012-02 27/04/2012 08/05/2012 HIP 84051 17 10 59.1 -52 30 55.8 F-2012-03 11/05/2012 13/05/2012 HIP 83797 17 07 31.4 -48 14 53.9 F-2012-04 13/05/2012 02/06/2012 HIP 80229 16 22 40.9 -48 39 19.9 F-2012-05 02/06/2012 30/06/2012 HIP 60321 12 22 07.7 -58 26 40.8 F-2012-06 30/06/2012 31/08/2012 WASP-4 23 34 15.1 -42 03 41.1 F-2012-08 31/08/2012 07/09/2012 HIP77921 15 54 48.5 -65 54 04.3 F-2012-10 08/09/2012 16/09/2012 HD147335 16 24 16.3 -56 03 16.9 F-2012-08 17/09/2012 18/09/2012 HIP77921 15 54 48.5 -65 54 04.3 F-2012-09 18/09/2012 20/09/2012 HD148045 16 28 35.1 -56 40 41.6 F-2012-10 21/09/2012 24/09/2012 HD147335 16 24 16.3 -56 03 16.9

ASTEP-400 Main operations

The instrument worked extremely well. We had only a small number of failures. For a given field ASTEP-400 worked in a fully automatic mode, with observations started when the Sun elevation was less than -6° and stopped when the Sun was higher than this elevation. The rewind mount occurred when the rev counter was larger than 1.90 revs. Log files were sent daily automatically to Nice. As for ASTEP-South we checked every day the M1 mirror surface, and cleared snow deposits when necessary, particularly after white-out periods. We never noticed any frost deposit, on M1 or M2. We had some observation interruptions due to power failures in the shelter. After each power failure we had to go to the shelter to restore power and to re-synchronize the mount. We had a perfect mount guiding except in strong wind conditions (> 5m/s) and in a particular position of the telescope mount (hour angle ~ 8h). Main Results Obtained

A testimony to the quality of the ASTEP 400 data and of the amount of work that is required to detect very faint signals, our article on the analysis of the 2010 observations of WASP-19 is now in press (Abe et al., to appear in A&A, 2013). This observation was made in the R band (650nm) during 24 days and is the first ground-based detection and measurement of an occult ation at these wavelengths, moreover with a telescope of such small diameter (40cm) . The figure below (extracted from the aforementioned paper) shows the primary transit (centered at phase 0), and the occultation (centered at phase 0.5) within the caption. The occultation is about 100 times fainter in amplitude than the main transit.

We continued work on the ASTEP data pipeline and were able to greatly improve the quality of the extracted light curves. As a result, the 2010 and 2011 data were reanalyzed completely in Nice. The 2012 data could not be analyzed directly in Concordia and are currently being processed.

66

The result of the analysis is that a number of very interesting events were observed and required follow-

up observations from additional telescopes. A statistical analysis on planet detection with the transit method (gathering data of all ongoing programs worldwide) tells us that we should be able to detect between 1 and 2 new planets per year of observation. When we obtain data with events that look alike planetary transits, we must make sure that these events are not mistaken for binary stars. Statistically, one transit event corresponds to a real planet for about 10 stars with similar transit events. There is a therefore a time consuming verification process to carry on using complementary observing methods that cannot be performed at Dome C presently. These methods are 1) spectroscopy to determine the type of the star (if it is a main sequence “standard” star, or if it is of “giant” type), and 2) radial velocimetry (another spectroscopic method with higher resolution) to measure the oscillation movement of the parent host star. The latter observation is the ultimate test to confirm whether the candidate is a real planet or not.

We carried out type 1) and preliminary type 2) complementary observations and conclude that there are about 5 very promising candidates. We are currently in the process of requesting observing time to make high precision radial velocity measurements to conclude on these targets.

ASTEP 400 is surely demonstrating the relevancy and interest of observing (quasi-)continuously from Antarctica sites (such time coverage cannot be realized anywhere but at the terrestrial poles). Problems Faced

The problems faced are minor but quite diverse. On of these is repeated power shut-offs that lead to the loss of thermal regulation of the instruments. This is a significant problem for the instruments, as shown for the ASTEP-South camera which was probably damaged after such a power failure and the absence of a restart of the thermal regulation in the instrument. A number of small technical problems occurred during that year, but were solved in conjunction between the winteroverer and the staff in Nice. V. Conclusion

ASTEP is continuing its activity as a pilot project for photometry in Antarctica. It has demonstrated the excellent meteorology of the site and the ability to obtain extremely accurate, nearly continuous, light curves with the detection of the secondary eclipse of the exoplanet WASP-19b (Abe et al. 2013). We are pursuing this work with the observation of other stars with known exoplanets and the search for new exoplanets as well. Our pipeline, data analysis and follow-up work is maturing with the follow-up of about 20 candidates and several very-promising planet-candidate that will be observed with other telescopes in the near-future. In parallel, the 5 years of data acquired by ASTEP South since 2008 are being analyzed and will provide a unique view of variable stars and eclipsing binaries. With such a long time-base (the same star field has been observed year after year), we can address questions related to the mechanisms responsible for oscillations in some stars (e.g. RR Lyrae-type) or try to detect planets in orbit around binary stars.