Füzyon Bilimi Enstitüsü, Mayıs 2023’te İsveç’in Kiruna kentinde Auroral Görüntüleme için Hiperspektral Kamerayı (HySCAI) kurdu ve aynı yılın Eylül ayında tam ölçekli gözlemlere başladı. Bir araştırma grubu artık HySCAI kullanarak astronomik alacakaranlık sırasında ışık yayan mavi nitrojen iyonu (N₂⁺) auroralarının rakım dağılımını gözlemlemeyi başardı.
Bu araştırma, alacakaranlık ilerledikçe güneş ışığının aurora’yı aydınlattığı rakımın değiştiği olgusunu kullanan tamamen yeni bir yöntem geliştirdi. Bu, nitrojen iyonunun emisyon yoğunluğunun rakım dağılımının kesin olarak gözlemlenmesini sağladı. Zirvenin yaklaşık 200 km yükseklikte yer aldığı ve son derece yüksek yoğunluk gösterdiği tespit edildi.
Auroralar, uzaydan gelen elektronların Dünya atmosferiyle (oksijen ve nitrojen) çarpıştığı ve ışık yaydığı doğal olaylardır. Çeşitli renkler (kırmızı, yeşil, mor vb.) hangi atom veya moleküllerin ışık yaydığına ve enerjinin nasıl değiştiğine bağlıdır. Bu ışık, aşağıya düşen parçacıkların hızı ve atmosfer koşulları hakkında gizli bilgiler içerir.
Hangi yükseklikte parlıyorlar?
Auroralar yerden bakıldığında gökyüzüne yayılmış gibi görünse de gerçek yüksekliklerini belirlemek zordu. Geleneksel yöntemler, stereoskopik görüntüler yakalamak için farklı konumlara birden fazla kamera kurmayı içerir ve böylece yükseklik tahmini sağlanır. Tek bir kameranın tek başına yüksekliği belirleyemeyeceğine inanılıyordu.
Araştırmacılar laboratuvarlardaki plazma çalışmalarından ilham aldılar. Orada, uzun zamandır yerleşmiş bir teknik, bir parçacık ışınının ateşlenmesini ve bu ışın tarafından uyarılan ışık ile gözlemin görüş hattının kesişimine göre derinliğin belirlenmesini içeriyordu.
Bu kez auroraya uygulanan, güneş ışığıyla uyarılan auroral emisyonlar (rezonans saçılan ışık) kullanıldı. Bu ışık ile kameranın görüş hattının kesişiminden faydalanılarak tek bir kamera ile yükseklik tahmini mümkün hale geldi.
Çalışma dergide yayınlandı Jeofizik Araştırma Mektupları.
Hiperspektral kameranın gücü
Sıradan kameralar veya filtrelenmiş gözlemlerle, şafak vaktinin astronomik alacakaranlığı sırasında, güneş ışığının yansıması ve yankılanan dağınık ışık karışımı, bunların ayırt edilmesini zorlaştırıyor. Bununla birlikte, hiperspektral kamera, ışık rengi (dalga boyu) bilgisini son derece ince ayrıntılarla gözlemleyerek her iki bileşeni de doğru bir şekilde ayırmasına ve yakalamasına olanak tanır.
Araştırma ekibi, 21 Ekim 2023 sabahının erken saatlerinde İsveç’in Kiruna kentinde gözlemlenen mavi aurora ile ilgili olarak, Ulusal Füzyon Bilimi Enstitüsü tarafından kurulan bir hiperspektral kamera kullanarak verileri analiz etti. Nitrojen moleküler iyonlarının (N) kesin yükseklik dağılımını başarıyla tahmin ettiler.2+) auroranın emisyonlarından sorumludur.
Gece vakti ışık emisyonları sırasında nitrojen moleküler iyon emisyonunun yaklaşık 130 km yükseklikte en güçlü olduğu iyi bilinmektedir. Ancak şafak vaktindeki (astronomik alacakaranlık) bu gözlem, emisyon yoğunluğundaki artış oranının 200 km yükseklikte zirveye çıktığını ortaya çıkardı.
Bu doğrudan, en azından alacakaranlık sırasında, 200 km gibi yüksek bir rakımdaki emisyonun olağanüstü derecede güçlü olduğunu gösteriyor ve bu kadar yüksek rakımlarda nitrojen moleküler iyonlarının var olma ihtimalini akla getiriyor.
Bu sonuç, yüksek irtifalardaki nitrojen moleküler iyonlarının yoğunluğunun önceden düşünülenden daha yüksek olabileceğini öne süren önceki gözlemleri doğrularken, aynı zamanda aurora oluşumunda yer alan fiziksel süreçlerle ilgili teorik modellerin doğrulanmasını da sağlıyor. Hiperspektral kameralar kullanılarak yapılan yüksek hassasiyetli gözlemler, aurora araştırmaları için yeni yollar açıyor.
Önemi ve gelecekteki gelişmeler
Hiperspektral kamerayı kullanan Aurora gözlemleri, daha önce ölçülmesi zor olan astronomik alacakaranlık sırasında rezonansla dağılan ışığın zamansal ve yükseklik değişimlerini doğru bir şekilde yakaladı. Girişim filtreleri kullanan geleneksel kameralarla karşılaştırıldığında gözlem alanını genişletti ve yeni bir yükseklik tahmin yöntemi getirdi.
Bunun, uzun süredir devam eden nitrojen moleküler iyon üretimi ve iyonosferdeki dışarı akışı sorununun çözümüne katkıda bulunması bekleniyor.
İleriye dönük olarak, bu disiplinler arası araştırmanın hem yurt içi hem de yurt dışındaki üniversiteler ve araştırma enstitüleri ile işbirliği yaparak ilerleyerek küresel aurora araştırmalarının geliştirilmesine katkıda bulunması beklenmektedir.
