Полярные сияния являются естественными световыми явлениями, возникающими в результате взаимодействия электронов и верхних слоёв атмосферы. Эти световые шоу вызваны столкновениями электронов с атомами и молекулами в атмосфере, которые возбуждаются и затем излучают свет, когда возвращаются в основное состояние.
Национальный институт термоядерных наук (NIFS) в Японии разработал высокочувствительную гиперспектральную камеру (HySCAI) для детального изучения процессов и цветов полярных сияний. HySCAI способна получать пространственное распределение спектра с высоким разрешением по длине волны, что позволяет учёным лучше понять полярные сияния и изучить процесс производства энергии электронами, который приводит к их возникновению.
HySCAI была установлена в космическом центре Esrange Шведской космической корпорации в Кируне в мае 2023 года. Система успешно получила гиперспектральные изображения полярных сияний, то есть двумерные изображения, разбитые по длине волны. Наблюдения начались в сентябре 2023 года.
Используя данные наблюдений за полярным сиянием, которое произошло 20 октября 2023 года, исследователи оценили энергию электронов по соотношению интенсивности света на разных длинах волн. Они обнаружили, что 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, в основном из-за переходов в атомах кислорода (O I) на длине волны 630 нм. С другой стороны, когда электроны быстрые, они проникают на более низкие высоты и излучают сильный зелёный или фиолетовый свет, в основном из-за переходов в молекулах азота (N2) на длинах волн 557,7 нм и 427,8 нм соответственно.
С помощью HySCAI исследователи смогли получить детальное пространственное распределение цвета полярного сияния. Различное распределение по цвету наблюдалось, поскольку элементы, которые излучают свет, различаются в зависимости от высоты, на которой он генерируется. По соотношению интенсивности красного и фиолетового света они могут определить энергию входящих электронов, вызвавших полярное сияние. В случае сияний, наблюдавшихся в это время, энергия входящих электронов была оценена в 1600 электрон-вольт.
HySCAI состоит из линзового спектрометра, камеры EMCCD и оптической системы развёртки изображения с использованием гальванометрических зеркал. Эта комбинация позволяет камере получать гиперспектральные изображения с высоким разрешением по длине волны и высокой чувствительностью, способной измерять полярные сияния на уровне 1kR (1 килорэлей). Система может захватывать широкий диапазон длин волн от 380 нм до 1000 нм, что охватывает большинство линий излучения нейтральных или ионизированных атомов азота и кислорода и молекулярных полос излучения, связанных с полярными сияниями.
Ожидается, что HySCAI внесёт вклад в ответы на важные вопросы о полярных сияниях, таких как распределение электронов, их связь с цветом полярных сияний и механизм полярного сияния. Кроме того, система предоставит информацию о переносе энергии за счёт 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 по всему миру.
HySCAI будет продолжать собирать данные о полярных сияниях в течение следующих нескольких лет, предоставляя беспрецедентный уровень детализации и понимания этих явлений. Система также будет использоваться для изучения других атмосферных явлений, таких как ночные свечения и мезосферные облака, что поможет лучше понять процессы, происходящие в верхних слоях атмосферы Земли.