图1展示了利用先进仪器观察北极光色差的图像。高能电子在低海拔地区使极光发出紫色光芒。来源:美国国家聚变科学研究所
2023年，美国国家实验室的科学家们在美国国家聚变科学研究所开发了一种创新的高光谱相机，为极光研究带来了新的机遇。
这台相机利用等离子体研究的先进技术，捕捉到了极光的细节图像，展现了多种颜色，并测量了产生这些自然奇观的电子能量。这不仅有助于我们更深入地理解极光，还在研究类似聚变反应堆的能量过程方面具有重要应用。
极光是由降落的电子与高层大气相互作用而产生的自然发光现象。大多数观测到的光源自中性或电离的氮和氧原子的发射线及分子发射带，其颜色由跃迁能级、分子振动和旋转决定。极光展现出多种特征颜色，如绿色和红色，但关于它们在不同类型极光中出现的发射过程有多种理论。为了理解极光的颜色，必须对光进行分解。要深入研究极光的发射过程和颜色，需要进行全面的光谱观测。
光谱观测的进展
此外，美国国家聚变科学研究所(NIFS)在大型螺旋装置(LHD)的磁场中观察等离子体的光发射。开发了多种系统来测量等离子体发射的光谱，并研究能量传输及原子和分子发射的过程。将这一技术应用于极光观测，有助于加深对极光发光机制及其电子能量产生过程的理解。
图2展示了用先进的高光谱相机(HySCAI)观察到的极光图像，按颜色(波长)分解。出处:本文改编自Springer Nature的DOI 10.57451/s40623-024-02039-y
高光谱相机系统的研制
极光观测通常使用滤光片获取特定颜色的图像，但这限制了波长的采集和分辨率。相比之下，高光谱相机能够获得高波长分辨率的光谱空间分布。2018年，我们启动了高灵敏度高光谱相机的开发计划，将镜头光谱仪与LHD中使用的EMCCD相机及振镜图像扫描光学系统相结合。
从计划到开发出能够测量1kR (1kg - rayleigh)极光的高灵敏度系统，历时五年。2023年5月，该系统安装在瑞典基律纳的瑞典航天公司Esrange航天中心，该中心位于极光带下方，能够观测到高频极光。该系统成功获取了极光的高光谱图像，即按波长分解的二维图像。观测于2023年9月开始，数据通过远程方式在日本获取。
分析极光的颜色
根据安装后获得的恒星位置，对极光发射强度和观测位置进行了校准，数据将公开提供并随时可供使用。利用2023年10月20日发生的极光分裂的观测数据，我们澄清了使用该系统可以查看的数据。在此过程中，我们通过不同波长光的强度比估算了电子的能量，并发表了相关论文。
图1显示了当电子以低能量和速度到达时与以高能量和速度到达时，极光颜色的差异。当电子速度缓慢时，它们在高海拔地区发出强烈的红光；而当电子速度快时，它们会穿透到较低的高度，发出强烈的绿光或紫光。
图2是用先进的高光谱相机观测到的分解成每种颜色(波长)的极光的二维图像。观察到不同颜色的分布是因为产生光的元素根据产生光的高度不同而不同。因此，我们成功开发了一种装置，可以获取由北极光产生的各种颜色的二维图像。
有限公司结论及对未来研究的启示
通过红光(630纳米)与紫光(427.8纳米)的强度比，我们可以确定引起极光的入射电子的能量。利用高光谱相机(HySCAI)，能够进行精细的光谱分析，在观测到的极光爆炸期间，入射电子的能量估计为1600电子伏特(相当于约1000个干电池的电压)。与先前已知值没有重大差异，表明观察结果是有效的。高光谱相机(HySCAI)有望为解决重要的极光问题提供帮助，如沉淀电子的分布、它们与极光颜色的关系，以及极光发射的机制。
首次获得了详细的颜色空间分布(二维图像)，即北极光的高光谱图像。以往许多极光研究使用的系统仅通过特定波长的过滤器选择光，这种系统弥补了只能观测有限波长的缺点。通过观察光谱的详细变化，将有助于推进极光研究。
另一方面，该系统还将提供由于磁场中带电粒子与波之间相互作用而导致的能量传输的见解，这也引起了聚变等离子体的关注。期望这项跨学科的研究能够与日本及国外的大学和研究机构合作推进，并为全球极光研究的发展做出贡献。
参考文献：“用于极光成像的高光谱相机(HySCAI)的发展”，作者M. Yoshinuma, K. Ida和Y. Ebihara, 2024年8月2日，地球，行星和空间。DOI: 10.1186 / s40623 - 024 - 02039 - y
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希望本篇文章《北极光释放：高光谱相机揭露隐藏的北极光细节》能对你有所帮助！
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