【ニュースリリース】ヒトの目には見えないオーロラを初撮像
2024年03月14日
津田卓雄准教授（情報・ネットワーク工学専攻）が参加する西山尚典助教、小川泰信教授（国立極地研究所）を中心とする、東北大学、産業技術総合研究所などの研究グループは、北極スバールバル諸島のロングイヤービンにおける観測から、世界で初めて波長1.1 µmで発光するオーロラを撮像することに成功しました。本成果は、空の明るい夏の時期や昼間など、地上からの観測の難しい「日照下オーロラ」の撮像につながる技術であり、多様なオーロラの生成メカニズムの解明への貢献が期待されます。
本研究の成果概要
研究の背景
これまでのオーロラの光学観測は、緑色や赤色、青色といったヒトの目が認識できる可視光線と呼ばれる波長を使うことで発展してきました。古くは１地点の観測点で取得した画像データの解析が主流でしたが、2000年以降、北米や北欧における地上光学観測の多点化・ネットワーク化が進むと、地理的に隣り合う画像データをつなぎ合わせることでグローバルなオーロラ現象（経度幅～100°）の分析が可能となりました。しかしながら、地上光学観測ネットワークはオーロラ出現領域を「地理的には」カバーしている一方で、夜が明けて、観測点が昼に近づいてくると、空が明るすぎるため、微弱な発光であるオーロラの検出が難しいという問題があります。その解決策の一つと期待されているのが、可視光線よりも波長の長い短波長赤外領域（1.0 µm -1.6 µm）によるオーロラ観測です。この波長帯では、太陽光は可視光線よりも地上に届きにくい性質があり（図１）、またオーロラ自体は、可視光線にも劣らない明るいオーロラが存在することが1970-80年代の研究で明らかになっています。しかし、1990年代以降、この波長帯を使ったオーロラの研究はほとんど実施されておらず、短波長赤外領域を用いたオーロラ観測における技術革新やその実証が待たれていました。
図１：太陽が地平線より５°上にある時に真上を見上げた際の空の明るさを波長ごとに計算した結果。紫、緑、赤の縦破線は代表的なオーロラの波長（色）を示す。本研究では縦の黒破線で示す短波長赤外の1100nm（＝1.1μm）でオーロラを初観測した。紫や緑、赤に比べて太陽の明るさが３分の１以下であることがわかる。
今後の展望
InGaAs検出器は食品や半導体、歴史的美術品などの多岐に渡る非破壊検査注4での需要が高く、その性能は近年著しく向上し続けています。現在のオーロラ観測は可視光線によるものが主流ですが、InGaAs検出器の技術躍進に加えて、短波長赤外領域では「空が可視光線より暗い」「雲などの影響を受けにくい」といった特色を考えると、今後は短波長赤外領域によるオーロラ観測がますます重要となるでしょう。本研究で初めて実証された技術は、地上からの観測の難しい「日照下オーロラ」の撮像につながる技術であり、多様なオーロラの生成メカニズムの解明への貢献が期待されます。今回は夜間の撮像を報告しましたが、現在太陽活動の長期的な上昇期にあり、日照の時間帯に強いオーロラ現象が今後出現することで、現装置による日照下オーロラの観測の機会もあると考えられます。また、米国の研究グループによって、米国のマクマード南極基地から50 km高度まで飛翔する大型気球に搭載させたInGaAsカメラを用いて日照下オーロラを撮像するミッションの準備が進められており、地上観測だけではなく大型気球や科学衛星などのプラットフォームへの応用を進めることで、地球の大気・オーロラに加えて太陽系惑星の大気観測にも大きな貢献が予想されます。
発表論文
掲載誌： Earth, Planets and Space
タイトル：The first simultaneous spectroscopic and monochromatic imaging observations of short-wavelength infrared aurora of N2+ Meinel (0,0) band at 1.1 μm with incoherent scatter radar
著者：西山 尚典（国立極地研究所 先端研究推進系 助教）、鍵谷 将人（東北大学大学院 理学研究科 助教）、古舘 千力（電気通信大学大学院 情報理工学研究科 博士前期２年）、岩佐 祐希（産業技術総合研究所 物理計測標準研究部門 研究員）、小川 泰信（国立極地研究所 共同研究推進系 教授）、津田 卓雄（電気通信大学大学院 情報理工学研究科 准教授）、Peter Dalin（スウェーデン宇宙物理学研究所 研究員）、土屋 史紀（東北大学大学院 理学研究科 教授）、野澤 悟徳（名古屋大学 宇宙地球環境研究所 准教授）、Fred Sigernes（University centre in Svalbard 教授）
URL：（新しいウィンドウが開きます）https://earth-planets-space.springeropen.com/articles/10.1186/s40623-024-01969-x
DOI：10.1186/s40623-024-01969-x
論文公開日： 2024年２月15日（木）
研究サポート
本研究はJSPS科研費（若手研究A：JP17H04857、基盤研究B：JP20H01955、JP20H01962、JP21H01144）、島津科学技術振興財団、放送文化基金（技術開発）の助成を受けて実施されました。
詳細はPDFでご確認ください。