国立极地研究所西山直典助理教授和小川康信教授领导的研究小组，包括东北大学、电气通信大学和国立先进工业技术研究所，通过在北极斯瓦尔巴群岛朗伊尔宾的观测，成功捕捉到了世界上第一张发射波长为 11 微米的光的极光图像。这一成果是一项技术，将导致“阳光下的极光”的成像，这种技术很难从地面观察到，例如在天空明亮的夏季和白天，预计将有助于阐明产生各种极光的机制。
到目前为止，极光的光学观测是通过使用人眼可以感知的绿色、红色和蓝色等可见光的波长来开发的。过去，主流是分析单个观测点获取的图像数据，但自2000年以来，随着北美和北欧的地面光学观测变得更加多点和网络化，通过连接地理上相邻的图像数据来分析全球极光现象（纵向宽度~100°）已成为可能。然而，虽然地面光学观测网络“地理上”覆盖了极光出现的区域，但当夜幕降临、观测点接近白天时，天空太亮，很难探测到极光，而极光是微弱的发光现象。预计解决方案之一是使用短波长红外区域（10 µm - 16 µm）进行极光观测，该区域的波长比可见光更长。在这个波长范围内，太阳光比可见光更难到达地面（图1），20世纪70年代和80年代的研究表明，存在与可见光一样明亮的极光。然而，自20世纪90年代以来，利用该波段进行极光研究的情况很少，利用短波红外区域进行极光观测的技术创新和示范仍待等待。
图1 当太阳位于地平线上方5°时，直视头顶时天空亮度的每个波长的计算结果。紫色、绿色和红色垂直虚线表示典型的极光波长（颜色）。在这项研究中，首次在1100 nm（=11 μm）的短波长红外波长中观察到极光，如垂直黑色虚线所示。可以看到，太阳的亮度相比紫色、绿色、红色还不到三分之一。
研究小组对短波长红外区域的光敏感InGaAs探测器注1是为了极光观测而引入的，光学系统采用监控摄像头镜头，相对便宜但性能较高光谱仪注2并开发了相机（图2）。
图2 为观察短波长红外11μm极光而开发的成像光谱仪（左）和相机（右）
这些观测仪器安装在斯瓦尔巴群岛的朗伊尔宾，我们在世界上首次成功地对波长为 11 µm 的极光进行成像和光谱观测（当地时间 2023 年 1 月 21 日 19:45 左右），展示了以 30 秒或更短的高时间分辨率进行测量的能力（图 3）。也是一个大雷达欧洲非相干散射斯瓦尔巴雷达（ESR，图 4）注释 3同时观测的数据，我们发现短波长红外极光发射的中心高度在100公里至120公里之间，并表明从太空下降的相对高能电子直接促成了这种发射。
图3（左）用光谱仪获得的波长11μm的极光发射光谱。可以看出，它比称为气辉的非极光发射成分亮约 10 倍。 （右）同时从相机拍摄的波长为11μm的极光图像。一道呈Z字状弯曲的带状极光出现了。
图 4 从天文台看到的 ESR 的两个抛物面天线。左边的直径是32m，右边的直径是42m。在本研究中，使用了 42 m 天线的观测数据。
InGaAs 探测器应用广泛，包括食品、半导体和历史艺术品无损检测注4需求旺盛，近年来其业绩持续大幅提升。目前，极光观测主要使用可见光进行，但除了InGaAs探测器的技术进步外，考虑到短波长红外区域的特性，例如“天空比可见光更暗”和“受云层影响较小”，使用短波长红外光的极光观测在未来可能会变得更加重要。这项研究中首次展示的技术是一种将导致“阳光下极光”成像的技术，从地面很难观测到，预计将有助于阐明产生各种极光的机制。这次我们报道的是夜间成像，但目前我们正处于太阳活动长期增加的时期，未来在日照时段将会出现强烈的极光现象，因此认为利用目前的设备将有机会在阳光下观测极光。此外，美国的一个研究小组正在准备一项任务，使用安装在大型气球上的InGaAs相机对阳光下的极光进行成像，该气球将飞到距离美国麦克默多南极站50公里的地方。通过将其应用不仅推进到地面观测，而且推进到大型气球和科学卫星等平台，预计将为地球大气层和极光以及太阳系行星大气层的观测做出重大贡献。系统。
已出版的杂志：
地球、行星和太空
Title: The first simultaneous spectroscopic and monochromatic imaging observations of short-wavelength infrared aurora of N2+11 μm 处的 Meinel (0,0) 波段，采用非相干散射雷达
作者：Naonori Nishiyama（国立极地研究所高级研究推进部助理教授）
Masato Kagitani（东北大学科学研究生院助理教授）
Chiriki Furudate（电气通信大学研究生院信息科学研究生院硕士二年级）
Yuki Iwasa（米乐m6官方网站物理测量标准研究部研究员）
小川泰信（国立极地研究所合作研究推进部教授）
Takuo Tsuda（电气通信大学研究生院信息科学研究生院副教授）
Peter Dalin（瑞典天体物理研究所研究员）
土屋文纪（东北大学研究生院教授）
野泽豪德（名古屋大学宇宙地球环境研究所副教授）
Fred Sigernes（斯瓦尔巴大学中心教授）
网址：
https://earth-planets-spacespringeropencom/articles/101186/s40623-024-01969-xDOI：101186/s40623-024-01969-x
论文发表日期：2024 年 2 月 15 日
这项研究得到了 JSPS 科学研究补助金（青年研究员 A：JP17H04857，基础研究 B：JP20H01955、JP20H01962、JP21H01144）、岛津科学技术基金会和广播文化基金（技术开发）的支持。