大気光

大気光

大気光（たいきこう）は、地球などの惑星の大気中で発生する微弱な光を意味し、英語では "airglow"として知られています。通常、夜間に観測され、この現象の影響で夜空は完全に暗くならず、星明かりや太陽光の散乱がなくても一定の明るさを保ちます。

研究の歴史

大気光の存在は1868年にスウェーデンの科学者アンデルス・オングストロームによって確認され、その後のさまざまな研究によって、多様な化学反応がこの現象を引き起こしていることがわかりました。現在では、これらの反応が地球の大気中で実際に起こっていることが確認され、天文学者たちは大気光の発光を観測しています。

大気光の発生メカニズム

大気光は主に次のような反応によって生成されます。

• - 太陽光による光イオン化反応から生まれたイオンの再結合
• - 上空に放射される宇宙線によるルミネセンス
• - 酸素や窒素が水酸化物イオンと反応することによる化学発光

これらの反応は、昼間は太陽光の散乱により観察できないため、夜間のみ観察可能です。大気光は可視光を使用しての天体観測において影響を及ぼし、地上の観測所では限られた条件の下でも光が発生し続けるため、望遠鏡の感度に制約がかかります。この理由から、ハッブル宇宙望遠鏡のような宇宙望遠鏡は、地上の望遠鏡と比較して遥かに鮮明な画像を得ることができます。

夜間の大気光は時として非常に明るくなり、その色は通常青みを帯びています。光の放射量はほぼ一定ですが、地上から観察した場合、仰角10度の範囲が特に明るく見えることが特徴です。これは、低い角度で発光している大気が重なる反面、あまり低過ぎると光が減衰するためです。

大気光を生じる一例には、窒素と酸素の反応があり、一酸化窒素（NO）が生成される際に光子が放出されます。このプロセスでは、光がいくつかの波長を持つことも特徴です。一酸化窒素の生成には、太陽エネルギーによって分解された窒素分子（N2）と酸素分子（O2）が関与しています。他にも、水酸基、酸素、ナトリウム、リチウム（Li）といった物質も大気光の生成に寄与しています。

天体観測における大気光の影響

天体観測における大気光の影響を考える際、最初に光子束に対する等級を変換する必要があります。可視光線の範囲内では、係数 S0(V) が関与し、この値を用いて計算を行います。たとえば、28等星の星が望遠鏡を通る際、口径面積あたりの光子の数を求めることができます。この計算によって、約1時間の観測で、理想的な条件下では、大気光から受ける光子は非常に限られています。

地上望遠鏡の理想的な信号対雑音比（S/N比）の計算にはポアソン統計が用いられ、特に大気光の影響がどれほど大きいかを示します。これらの数式や計算結果によって、視野を狭めることで大気光の影響を減少させ、対象の鮮明な観察が可能になることが示されます。残念ながら、赤外線の観測では非常に明るい空のため、視野制限を行う補償光学技術が用いられていますが、宇宙望遠鏡の場合は、大気光の影響を受けにくいため、視野を狭める必要がありません。

大気光の実験と衛星観測

アラスカ州ガコーナでは、高出力の電波を用いて大気光を励起する実験が行われ、特定の条件下で弱い発光が観測されました。また、スイスの人工衛星「スイスキューブ」は、大気光の観測を行うために設計され、小型の望遠鏡を内蔵しています。2011年には初めての大気光の画像を取得し、近赤外線の波長から可視領域に変換した観測成果を得ました。

さらに、金星探査機ビーナス・エクスプレスにより、金星の上層大気でも大気光が確認され、一酸化窒素や酸素分子による発光が観測されています。

大気光は、天体観測において多くの課題をもたらしつつ、宇宙の理解を深めるための重要な現象であると言えるでしょう。

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