Σε αυτήν την εργασία συζητάμε κυρίως τις ηλιακές παρατηρήσεις οι οποίες προτείνουν την ύπαρξη του σωματιδίου axion. Η αρχή λειτουργίας των ηλιακών τηλεσκοπίων που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση των ηλιακών axions μπορεί να βρίσκεται πίσω από την απροσδόκητη ηλιακή εκπομπή ακτίνων X, ακόμη και επάνω από 3.5 keV από τα μη ενεργά active regions. Επειδή αυτό συνδέεται με τα ηλιακά μαγνητικά πεδία και παρουσιάζει την αναμενόμενη B2 εξάρτηση, που είναι χαρακτηριστική για την αλληλεπίδραση τους με μαγνητικά πεδία. Τα μαγνητικά πεδία γίνονται σε αυτό το πλαίσιο ο καταλύτης και όχι η ειδάλλως πιθανή/απροσδιόριστη πηγή ενέργειας των ηλιακών ακτίνων X. Επιπλέον, ίσως μπορέσουμε (ίσως και όχι) να είμαστε σε θέση να αναδημιουργήσουμε πλήρως τον υποτιθέμενο ενσωματωμένο συντονισμό αλληλεπίδρασης των axions στον ήλιο και, να είμαστε σε θέση (ή και όχι) να τον αντιγράψουμε σε ένα επίγειο πείραμα. Τα σήματα των ηλιακών axions μπορεί να είναι παροδικές εκλάμψεις ακτίνων X ή συνεχής ακτινοβολία, όπως π.χ. από την κορώνα η οποία εκ πρώτης όψεος παραβιάζει το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής καθώς και το νόμο Planck περί ακτινοβολίας μέλανος σώματος. Για την κατανόηση του προβλήματος της ηλιακής κορώνας και των άλλων ηλιακών μυστηρίων, όπως είναι οι ηλιακές καταιγίδες, οι ηλιακές κηλίδες, οι κατανομές χημικών στοιχείων, κ.λ.π., καταλήγουμε τουλάχιστον σε δύο νέα ‘εξωτικά σωματίδια’, όπως είναι: α) παγιδευμένα ‘βαριά’ axions τύπου Kaluza-Klein τα οποία διασπώνται ακτινοβολώντας και επιτρέπουν μια συνεχή αυτο-ακτινοβολία του ήλιου, μέσω της αυθόρμητης διάσπασής τους σε δύο φωτόνια. Αυτή η διεργασία εξηγεί την ξαφνική αναστροφή θερμοκρασίας στα ~2000 χλμ επάνω από την επιφάνεια του ήλιου. β) εξερχόμενα ‘ελαφριά’ axions, τα οποία αλληλεπιδρούν με τα τοπικά μαγνητικά πεδία μέσω της χαρακτηριστικής εξάρτησης (~B2). Η αλληλεπίδραση αυτή εξαρτάται από πολλές παραμέτρους, μία εκ των οποίων είναι η συχνότητα πλάσματος του περιβάλλοντος χώρου. Η συχνότητα αυτή θα πρέπει να ταιριάζει με τη μάζα ηρεμίας του axion, προκειμένου να έχουμε τον επιθυμητό συντονισμό. Η αναμενόμενη συμπεριφορά αυτών των δυο κατηγοριών αυτή εξηγεί τα κατά τα άλλα απρόβλεπτα παροδικά, αλλά ταυτόχρονα και συνεχή, ηλιακά φαινόμενα. Κατόπιν, η ενεργειακή κατανομή των φωτονίων ενός υποψήφιου φαινομένου άγνωστης προέλευσης μπορεί να ‘φωτογραφίσει’ το σημείο γέννησης των axions. Παραδείγματος χάριν, αυτό θα μπορούσε να προτείνει ότι ηλιακή κορώνα θερμοκρασίας ~2MK έχει τις ρίζες της στο πάνω μέρος της «ζώνης ακτινοβολίας» (radiation zone) ακόμα κι αν αυτό από μόνο του δεν μπορεί να εξηγήσει προφανώς την τόσο απότομη περιοχή μετάπτωσης μεταξύ της χρωμόσφαιρας και της κορώνας. Το προβλεφθέν μαγνητικό πεδίο Β ≈ 10 – 50 Τ στην αποκαλούμενη tachocline σε ακτίνα ~0.7R๏, κάνει αυτήν την περιοχή μια πιθανή νέα πηγή ηλιακών axions. Σε κάθε περίπτωση, η πολλαπλή σκέδαση φωτονίων μέσω του φαινομένου Compton ενισχύει τη μετατροπή φωτονίων από axions, δεδομένου ότι τα axions δεν μπορουν να αλληλεπιδράσουν πολλές φορές και έτσι δραπετεύουν. Καταλήγουμε λοιπόν στο συμπέρασμα ότι η ενεργειακή κατανομή κάτω από περίπου 100 eV είναι ένα νέο παράθυρο για τις αναζητήσεις axion. Εντυπωσιακά, αυτή η ενεργιακή κατανομή συμπίπτει με το γεγονός ότι: α) οι ενέργειες των φωτονίων που προκύπτουν από την αυθόρμητη διάσπαση των axions για μια εξωτερική αυτο-ακτινοβολία του ήλιου, πρέπει να διαπεράσουν μέχρι την ‘περιοχή μετάπτωσης’ στα ~2000 χλμ επάνω από την ηλιακή επιφάνεια, και β) με την κύρια συνιστώσα της ηλιακής φωτεινότητας ακτίνων X χαμηλής ενέργειας, η οποία είναι άγνωστης προέλευσης. Κατά συνέπεια, τα άμεσα/έμμεσα σήματα υποστηρίζουν τα axions ως μια εξήγηση της αινιγματικής συμπεριφοράς του ήλιου. Π.χ., η ανεξήγητη «solar oxygen crisis». Έτσι, λαμβάνοντας υπόψη σχετικές παρατηρήσεις στους ‘πόρους’, παρατηρείται μια επίσης εντυπωσιακή ~B2 εξάρτηση της κατανομής των χημικών στοιχείων πάνω απο έναν ‘πόρο’. Όλη αυτή η συμπεριφορά μπορεί να εξηγηθεί μέσω της πίεσης ακτινοβολίας απο την εκπομπή ακτίνων X που προέρχονται από τα axions του ηλιακού πυρήνα, ή, ακόμη και από κάποια άλλη εσωτερική ηλιακή πηγή axions. Έτσι, κεραίες αxions θα μπορούσαν να αξιοποιήσουν / ενσωματώσουν ένα τέτοιο μηχανισμό. Τέλος, η παρατηρηθείσα χαμηλο-ενεργειακή εκπομπή ακτίνων X από τον ‘ήρεμο’ ήλιο στα υψηλότερα πλάτη καθώς επίσης και η εκτεταμένη δραστηριότητα που συνδέεται με τις μαγνητικές δομές, που διασχίζουν το κέντρο του ηλιακού δίσκου, προτείνουν ότι τελικά έχουμε να κάνουμε με ένα σενάριο axions πολλών συνιστωσών. Ένα τέτοιο σενάριο ίσως είναι τελικά στην πράξη, αυτό που εξηγεί γιατί τα ηλιακά axions δεν έχουν προσδιοριστεί / παρατηρηθεί μέχρι τώρα στο καθ’ολα πλούσιο και χωρο-χρονικά μεταβαλλόμενο ηλιακό φάσμα ακτίνων X. Τέλος, υποστηρίζουμε, σε αυτήν την εργασία ότι, τα ηλιακά axions που μετατρέπονται σε (υψηλοενεργειακές) ακτίνες X κοντά στην ηλιακή επιφάνεια μπορούν να ιονίσουν τα ανωτέρω στρώματα. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την ισοτροπική Compton σκέδαση και την ενεργειακή υποβάθμιση των φωτονίων. Τα φωτόνια διαδίδονται μέσα στο πλάσμα με πολλαπλές σκεδάσεις Compton (τυχαίος βηματισμός). Και τα δύο φαινόμενα επιτρέπουν για πρώτη φορά την σύνδεση της ηλιακής εκπομπής ακτίνων X με το τυποποιημένο πρότυπο ηλιακών axions. Δηλαδή, έχουμε να κάνουμε όχι μόνο με μια ακτινική εκπομπή ακτίνων X που προέρχονται από το κέντρο του ηλιακού δίσκου αλλά και με ένα ενεργειακό φάσμα που μετατοπίζεται προς όλο και χαμηλότερες ενέργειες. Αυτό είναι κάτι νέο που προέκυψε από αυτήν την εργασία. Επιπλέον, τονίζουμε ότι, από την λογική αυτής της εργασίας προκύπτει το σημείο γέννησης / μετατροπής axions, και μάλιστα ‘φωτογραφίζοντας’ την ηλιακή επιφάνεια. Αυτό το συμπέρασμα είναι πολύ σημαντικό. Διότι, εάν υιοθετήσουμε το ευρέως διαδεδομένο, αντίστροφο φαινόμενο Primakoff, που πιστεύεται ότι προκαλεί αυτήν την αλληλεπίδραση, όπως γίνεται παραδείγματος χάριν στην 2η φάση του πειράματος CAST με το ‘buffer gas’ στους μαγνητικούς σωλήνες, καταλήγουμε για πρώτη φορά σε μια μάζα ηρεμίας ενός σωματιδίου όπως είναι το axion: maxion ≥ 0.01 eV/c2. Αυτό το γεγονός μαζί με την γωνιακή και ενεργειακή κατανομή των ακτίνων Χ, που προέρχονται από axions στην επιφάνεια του ήλιου, προέκυψαν από αυτήν την εργασία. Επίσης, και η ανάλυση των δισδιάστατων κατανομών ηλιακών ακτίνων Χ χαμηλής ενέργειας απο δημοσιευθέντα αρχεία δεδομένων οδήγησε σε νέα αποτελέσματα. / We discuss mainly solar signatures suggesting axion or axion(-like) particles. The working principle of axion helioscopes can be behind unexpected solar X-ray emission, even above 3.5 keV from non-flaring active regions. Because this is associated with solar magnetic fields shows the expected B2- dependence. The magnetic fields become in this framework the catalyst and not the otherwise suspected / unspecified energy source of solar X-rays. In addition, the built–in fine tuning we may (not) be able to fully reconstruct, and, we may (not?) be able to copy in an earth bound experiment. Solar axion signals are transient X-ray brightenings, or, continuous radiation from the corona violating at first sight the second law of thermodynamics and Planck’s law of black body radiation. To understand the corona problem and other mysteries like flares, sunspots, elemental abundances, etc., we arrive at least at two exotica: a) trapped, radiatively decaying, massive axions of the Kaluza Klein type allow a continuous self-irradiation of the Sun, via their spontaneous decay, explaining the sudden temperature inversion ~2000 km above the Sun’s surface and b) outstreaming light axions interact with local fields (~B2), depending crucially, among other parameters on the plasma frequency which must match the axion rest mass, explaining the otherwise unpredictable transient, but also continuous, solar phenomena. Then, the photon energy distribution of a related phenomenon of unknown origin might point at the birth place of involved axions. For example, this could suggest that the ~2 MK solar corona has its axion roots at the top of the radiative zone even though this alone can not explain the steep transition region (TR) between the chromosphere and the corona. The predicted B ≈ 10–50 T at the so called tachocline at ~0.7R, make this place a potential coherent axion source, while the multiple photon scattering enhances the photon-to-axion conversion unilaterally, since axions escape. We conclude that the energy range below some 100 eV is a new window of opportunity for axion searches. Remarkably, it coincides with a) the 10 derived photon energies for an external self-irradiation of the Sun, which has to penetrate until the transition region at ~2000 km above the solar surface, and b) with the bulk of the soft solar X-ray luminosity, which is of unknown origin. Thus, (in)direct signatures support axions or the like as an explanation of enigmatic behavior in the Sun and beyond; e.g., the otherwise unexplained “solar oxygen crisis” taking into account related observations in pores, which also show striking ~B2 – dependence of elemental abundance in a pore. They can be associated with the radiation pressure of the X-ray emission from converted axions from the solar core, or, other as yet unpredicted inner solar axion source. Axion antennas could take advantage of such a feed back. Finally, the observed soft X-ray emission from the quiet Sun at highest latitudes as well as the extended activity associated with magnetic structures crossing the solar disk centre suggest that a multi-component axion(-like) scenario is finally at work, which explains why the solar axions have not been identified / noticed before in the rich and spatiotemporarily changing solar X-ray spectrum. Finally, it is arguing in this work that solar axions converted to (hard) X-rays near the solar surface can ionize the layers above. This gives rise to the isotropic Compton scattering and to the photon energy degradation while the photons propagate inside the plasma. Both effects allow for the first time to reconcile solar X-ray emission with the standard solar axion model, i.e. not only radial X-ray emission distinguishing thus the solar disk center, and, an energy spectrum shifted towards lower and lower energies. Moreover, the concluded place of birth of the axion conversion points at the solar surface. If we assume the widely mentioned coherent inverse Primakoff-effect being behind this interaction, as it is done for example in CAST phase II with buffer gas in the magnetic pipes, then the axion or axion-like rest mass is maxion ≥ 0.01 eV/c^2.

Το αντικείμενο της διατριβής είναι η παρατηρησιακή και αριθμητική μελέτη των δυναμικών και φυσικών διεργασιών που συνδέονται με τη θερινή καταιγιδοφόρο δραστηριότητα στον Ελλαδικό χώρο. Αναλυτικότερα τα εξεταζόμενα αντικείμενα είναι τα εξής: 1. Η μελέτη των ηλεκτρικών εκκενώσεων στον Ελλαδικό χώρο κατά τη θερινή περίοδο για 4 τουλάχιστον έτη. Για την πραγματοποίηση των στόχων του παραπάνω αντικειμένου έχει ήδη γίνει η συλλογή και η επεξεργασία των ηλεκτρικών εκκενώσεων στη περιοχή του ευρύτερου Ελλαδικού χώρου για τις θερινές περιόδους των ετών 2003 έως και 2006. Τα δεδομένα που έχουν χρησιμοποιηθεί προέρχονται από το σύστημα καταγραφής των ηλεκτρικών εκκενώσεων της Βρετανικής Μετεωρολογικής Υπηρεσίας ATD (Arrival Time Difference). Τα γεγονότα τα οποία κατεγράφησαν στον Ελλαδικό χώρο για την περίοδο μελέτης, μετά τον απαραίτητο έλεγχο ποιότητας, κατανεμήθηκαν σε πλέγμα διαστάσεων 0,1° x 0,1° και υπολογίστηκε η πυκνότητα των ηλεκτρικών εκκενώσεων ανά τετραγωνικό χιλιόμετρο ανά θερινή περίοδο. Στις περιοχές με τις υψηλότερες τιμές πυκνότητας ηλεκτρικών εκκενώσεων συγκαταλέγονται η Μακεδονία, η Ήπειρος, ο ορεινός κεντρικός ηπειρωτικός κορμός καθώς και οι ορεινές περιοχές της Πελοποννήσου, γεγονός που αποτελεί μία πρώτη ένδειξη της σύνδεσης που υπάρχει μεταξύ της θέρμανσης του εδάφους, λόγω της ηλιακής ακτινοβολίας, και της ανάπτυξης θερινών καταιγίδων. Η άποψη αυτή ενισχύεται και από το γεγονός ότι το μέγιστο της δραστηριότητας παρατηρείται τις μεσημεριανές και πρώτες απογευματινές ώρες. 2. Η μελέτη των παραμετροποιήσεων ανοδικών κινήσεων (convection) και μικροφυσικής των αριθμητικών μοντέλων πρόγνωσης καιρού με στόχο την ορθότερη πρόβλεψη της θερινής καταιγιδοφόρου δραστηριότητας που συνοδεύεται από έντονη ηλεκτρική δραστηριότητα. Στο αντικείμενο αυτό κύριος στόχος είναι η σύγκριση τριών διαφορετικών σχημάτων παραμετροποίησης που χρησιμοποιούνται στο αριθμητικό μοντέλο πρόγνωσης καιρού MM5. Τα σχήματα αυτά είναι τα κάτωθι: Kain – Fritch, Betts – Miller – Janjic και Grell και χρησιμοποιούνται στην παραμετροποίηση του μοντέλου για τον υπολογισμό της βροχόπτωσης που προέρχεται από τις κατακόρυφες κινήσεις μεταφοράς. Κατά τη σύγκριση των τριών σχημάτων παραμετροποίησης τα καλύτερα στατιστικά σκορ εμφανίζει το σχήμα Kain – Fritch ενώ τα αποτελέσματα που δίνει το σχήμα του Grell είναι αρκετά κοντά με αυτά του προαναφερθέντος σχήματος. 3. Η τροποποίηση του σχήματος παραμετροποίησης κατακόρυφων κινήσεων στην ατμόσφαιρα των Kain – Fritsch με στόχο τη βελτιστοποίηση των αποτελεσμάτων της προβλεπόμενης βροχόπτωσης στην περιοχή του Ελλαδικού χώρου, κατά τη θερμή περίοδο του έτους Στο αντικείμενο αυτό έχει μελετηθεί στατιστικά η ικανότητα πρόβλεψης του πεδίου της βροχόπτωσης, εφαρμόζοντας ποικίλες τροποποιήσεις του σχήματος παραμετροποίησης Kain – Fritsch. Πιο συγκεκριμένα πέρα από την βασική έκδοση του σχήματος που χρησιμοποιείται στην επιχειρησιακή αλυσίδα του προγνωστικού μοντέλου ΜΜ5, αναπτύχθηκαν οκτώ συνολικά τροποποιήσεις. Εφαρμόζοντας τις παραπάνω τροποποιήσεις, πραγματοποιήθηκαν συνολικά 180 πειράματα για συνολικά 20 διαφορετικές ημέρες με έντονη βροχόπτωση κατά την θερμή περίοδο των ετών 2005 – 2007. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων παρείχε ενθαρρυντικά στοιχεία, καθώς ωθώντας το σχήμα να παράξει περισσότερο υετό παρατηρήθηκε βελτίωση στην ικανότητα του μοντέλου να προβλέπει τον υετό. / The present Ph.D. Thesis is divided into three main parts. In the first part the lightning activity over Greece during the warm season (May-September) of the years 2003 through 2006 is investigated, in relation with the synoptic meteorological conditions that prevailed in the region. The study is based on the use of cloud-to-ground lightning activity data and of upper-air analyses. The analysis of the spatial variability of lightning shows that the highest “relative” flash densities are observed in Northern and Western Greece and in Central and Western Peloponnissos. The study of the synoptic patterns related to lightning is based on the analysis of 60 active and 60 inactive days in terms of lightning activity over Greece. The days with high lightning activity are characterised by a short wave trough at the 500 hPa level over the Ionian Sea. On the other hand, during the days with no lightning a northwest flow prevails over Greece. It was also found that high lightning activity is related with high values of absolute vorticity, equivalent potential temperature and convective available potential energy. In the second part the sensitivity of numerical model quantitative precipitation forecasts to the choice of the convective parameterization scheme (CPS) is examined for twenty selected cases characterized by intense convective activity over Greece, during the warm period of 2005 – 2007. Namely, the study is conducted using MM5 model and the following three different CPSs: Kain – Fritsch, Grell and Betts – Miller – Janjic. Sixty numerical simulations were carried out. The simulated precipitation was verified against raingauge measurements and lightning data. Verification results showed that for all three schemes the model presented a tendency to overestimate light to moderate rain while in general it underestimated the high precipitation amounts. The validation against both sources of data showed that among the three CPSs, the more consistent behaviour in quantitative precipitation forecasting was obtained by the Kain – Fritsch scheme that provided the best statistical scores. However, the differences of the results of statistical analysis between the Kain – Fritsch and Grell schemes were not large. In the third part the sensitivity of quantitative precipitation forecasts to various modifications of the Kain – Fritsch (KF) convective parameterization scheme (CPS) is examined for twenty selected cases characterized by intense convective activity and widespread precipitation over Greece, during the warm period of 2005-2007. The modifications include: (i) the maximization of the convective scheme precipitation efficiency, (ii) the change of the convective time step, (iii) the forcing of the convective scheme to produce more/less cloud material, (iv) changes to the trigger function and (v) the alteration of the vertical profile of updraft mass flux detrainment. In general, forcing the model to produce less cloud material improves the precipitation forecast for the moderate and high precipitation amounts.