Observation of escaping Nitrogen molecule ions based on high-resolution spectral measurements of blue aurora

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K18651
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 17:Earth and planetary science and related fields
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: Shiokawa Kazuo 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 教授 (80226092)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大山 伸一郎 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 講師 (20444424) ; 小川 泰信 国立極地研究所, 国際北極環境研究センター, 准教授 (00362210)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2024-03-31
• Keywords: 大気流出 / 窒素分子イオン / オーロラ / ファブリ・ペロー干渉計 / 427.8nm / 超高層大気 / 地球電磁気圏 / 地上観測

Outline of Final Research Achievements

A Fabry-Perot Interferometer (FPI) at Skibotn, Norway, was used to observe the Doppler shift of auroral emission from the nitrogen molecular ions at a wavelength of 427.8 nm. By adjusting the optical focus to match this wavelength, setting an appropriate observation sequence, and eliminating systematic noise, we succeeded in the world's first FPI spectroscopic observation of auroral emission at this wavelength on the evening of March 13, 2024. The initial analysis yielded ion velocities of 100-300 m/s in the upward direction of the magnetic field lines with a standard deviation of 200-400 m/s. Model calculations were also performed on the ion temperature dependence of the interference fringes of the multiple band emission lines of the nitrogen molecular ions.

Free Research Field

超高層大気物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

イオン化した地球大気の流出は主に地上からの大型レーダーと地球電磁気圏を飛翔する人工衛星で計測されてきた。しかしこれらの機器では、イオン種ごとに分別した計測は難しい。本研究による窒素分子イオン発光の高分解能分光計測は、人工衛星や大型レーダーに比べて、100分の1から1000分の1の予算で整備できるファブリ・ペロー干渉計（FPI）を用いて、イオン種を同定した上でその上昇速度を計測する可能性を開く。まだ改良の余地はあるが、この計測による地上観測手法が確立されれば、将来、地上の多点にこのFPIを展開して様々な場所でイオン流出を計測するなど、大気流出の研究に新たな画期的な手法が加わることが期待される。