Изображения наблюдения цветовых различий в северном сиянии с использованием передового оборудования. Высокоэнергетические электроны заставляют полярное сияние светиться на более низких высотах, создавая фиолетовый свет. Кредит: Национальный институт термоядерных наук
Полярные сияния — это естественные световые явления, вызванные взаимодействием электронов, падающих с неба, и верхних слоев атмосферы. Большая часть наблюдаемого света состоит из линий излучения нейтральных или ионизированных атомов азота и кислорода и молекулярных полос излучения, а цвет определяется уровнями энергии перехода, молекулярными колебаниями и вращениями.
Существует множество характерных цветов полярных сияний, таких как зеленый и красный, но существует множество теорий о процессе излучения, посредством которого они появляются в различных типах полярных сияний, и чтобы понять цвета полярных сияний, свет должен быть разложен. Для детального изучения процессов и цветов полярных сияний необходимы комплексные (временные и пространственные) спектральные наблюдения.
Национальный институт термоядерных наук (NIFS) наблюдал за излучением света из плазмы в магнитном поле в Большом спиральном устройстве (LHD). Были разработаны различные системы для измерения спектра света, испускаемого плазмой, а также были изучены процессы переноса энергии и атомной и молекулярной эмиссии.
Применяя эту технологию и знания к наблюдениям за полярными сияниями, мы можем внести свой вклад в понимание полярного сияния и изучение процесса производства энергии электронами, который приводит к полярному сиянию.
При наблюдении за полярными сияниями используются оптические фильтры для получения изображений определенных цветов, однако недостатком такого подхода является ограниченная длина волны захвата и низкое разрешение.
С другой стороны, гиперспектральная камера имеет преимущество в получении пространственного распределения спектра с высоким разрешением по длине волны. Исследователи начали план по разработке высокочувствительной гиперспектральной камеры в 2018 году, объединив линзовый спектрометр с камерой EMCCD, которая использовалась в LHD, с оптической системой развертки изображения с использованием гальванометрических зеркал.
Потребовалось пять лет с момента планирования, чтобы разработать высокочувствительную систему, способную измерять полярные сияния на уровне 1kR (1 килорэлей). В мае 2023 года эта система была установлена в KEOPS в космическом центре Esrange Шведской космической корпорации в Кируне, Швеция, который расположен чуть ниже пояса полярных сияний и может наблюдать полярные сияния с высокой частотой.
Система успешно получила гиперспектральные изображения полярных сияний, то есть двумерные изображения, разбитые по длине волны. Наблюдения начались в сентябре 2023 года, и данные были получены удаленно в Японии.
Интенсивность полярного сияния и позиции наблюдения были откалиброваны на основе положений звезд, полученных после установки, и данные будут опубликованы и готовы к использованию.
Используя данные наблюдений за полярным сиянием, которое произошло 20 октября 2023 года, они выяснили, какие данные можно просматривать с помощью этой системы. В процессе они оценили энергию электронов по соотношению интенсивности света на разных длинах волн, что привело к публикации статьи в журнале Earth, Planets and Space.
Существует разница в цвете полярного сияния, когда электроны достигают низких энергий и скоростей и когда они достигают высоких энергий и скоростей. Когда электроны медленные, они излучают сильный красный свет на больших высотах. С другой стороны, когда электроны быстрые, они проникают на более низкие высоты и излучают сильный зеленый или фиолетовый свет.
Двумерное изображение полярных сияний, разрешенное в каждом цвете (длине волны), наблюдалось с помощью современной гиперспектральной камеры. Различное распределение по цвету наблюдалось, поскольку элементы, которые производят свет, различаются в зависимости от высоты, на которой он генерируется. Таким образом, исследователи говорят, что им удалось разработать устройство, которое может получать двумерные изображения различных цветов, производимых северным сиянием.
По соотношению интенсивности красного света (630 нм) и фиолетового света (427,8 нм) они могут определить энергию входящих электронов, вызвавших полярное сияние.
С помощью гиперспектральной камеры (HySCAI), способной проводить тонкую спектроскопию света, энергия входящих электронов во время аврорального взрыва, наблюдавшегося в это время, была оценена в 1600 электрон-вольт (энергия, эквивалентная напряжению около 1000 сухих батареек).
Не было никаких серьезных расхождений с ранее известными значениями, что указывает на то, что наблюдения были достоверными. Ожидается, что гиперспектральная камера (HySCAI) внесет вклад в решение важных проблем полярных сияний, таких как распределение высыпающихся электронов, их связь с цветом полярных сияний и механизм полярного сияния.
Впервые получено детальное пространственное распределение цвета (двумерное изображение) — гиперспектральное изображение полярного сияния.
Во многих предыдущих исследованиях полярных сияний использовалась система, в которой свет выбирается фильтром, пропускающим только определенные длины волн. Эта система компенсирует недостаток наблюдения только ограниченного числа длин волн. Наблюдая детальные изменения в спектре, она будет способствовать прогрессу в исследовании полярных сияний.
Система также предоставит информацию о переносе энергии за счет взаимодействия заряженных частиц и волн в магнитном поле, что также привлекает внимание в термоядерной плазме. Ожидается, что это междисциплинарное исследование будет продвигаться в сотрудничестве с университетами и исследовательскими институтами в Японии и за рубежом и будет способствовать развитию исследований полярных сияний во всем мире.
Информация от: Национальным институтом естественных наук
