In this study, Far Ultraviolet (FUV) observations and studies of airglow and aurora measured on STSAT-1 are presented. Traveling in a sun-synchronous orbit at 680 km altitude, STSAT-1, the first Korean scientific satellite, is equipped with a main instrumental spectrograph FIMS and a plasma detector assembly SPP. The observations were made from November 2003 to May 2005 for astronomical targets such as the interstellar medium from supernova remnants and FUV emissions from Earth`s upper atmosphere.
Airglow observations have been made with several modes depending on the specific scientific purposes. Early airglow observation was used for spectral calibration and background line identification. The spectral accuracy was improved by more than 10 % by a line calibration task. Limb scanning observation for dayglow showed altitudinal line variation of dayglow emission, and the finding was compared to modeling results from AURIC. The variation trend is similar but the maximum altitude is slightly different, attributable to geometric differences. A nightglow analysis was performed for the latitudinal distribution about the equatorial and mid-latitude regions. Equatorial nightglow is comprised of atomic oxygen recombination lines. Total intensity variation of the equatorial nightglow shows that the equatorial trough structure strongly depends on the longitudinal location. The mid-latitudinal analysis exhibits high level background near the southern middle latitude region and only a mixture of 1026 $\Aring$ and OI 1356 $\Aring$ are detected.
STSAT-1 also observed simultaneous FUV spectra of diffuse and discrete auroras, as well as the energy and flux of precipitating electrons measured on the same spacecraft. An FUV spectrograph image with $2km \times 3km$ resolution shows detailed small-scale features embedded in the auroral arcs. The peak energies of the inverted-V events were compared with the corresponding FUV spectra. It was found that the long band $N_2$ LBH emission (LBHL: 1600-1715 $\Aring$) of the spectrum was sensitive to the peak energies. A comparison of the inverted-V structures and their energy fluxes with the LBHL irradiance for small regions ($10 km\times10 km$) revealed that the two parameters were correlated well for peak energy $\gt2$ keV. When the data were averaged over a larger area, ($70 km\times140 km$), the surrounding diffuse aurora significantly altered the relationship between the auroral intensity and the .precipitating energy flux from the small bins that had similar energy fluxes. The present study demonstrates that, in order to establish a reliable relationship between these two parameters, careful matching between the localized precipitating energy flux with the FUV intensity is required.
본 학위 논문은 과학위성 1호로 관측한 원자외선 영역의 대기광과 오로라에 관한 분석을 다루고 있다. 과학위성 1호는 주탑재체인 원자외선 분광기 FIMS와 지구 상층 플라즈마 관측을 위한 SPP를 갖추고 있으며 태양 동기 궤도로 고도 680 km를 선회하며 2003년 11월부터 2005년 5월까지 관측을 수행하였었다. 원자외선 분광기 FIMS의 주 목적은 우주의 초신성 폭발로 인해 생성된 성간 물질들에 관한 연구이었으나 지구 플라즈마 관측도 일정한 과학적 목적을 갖고 수행되었었다. 지구 플라즈마 관측의 주 대상은 원자외선 영역의 대기광과 오로라의 관측으로 2003년 11월부터 2004년 10월까지 약 1여년 동안의 시간에 걸쳐 관측이 진행되었었다. 오로라는 하루에 두 번 혹은 세 번의 관측이 SPP와 함께 1여년 내내 수행되었으며 대기광 관측은 수행 목적에 따라 단기간 동안 간헐적으로 이루어졌었다.
대기광 관측은 그 목적에 따라 크게 분광기 보정을 위해 상층 대기 원자외선 정보 수집, 고도에 따른 원자외선의 세기와 구성의 변화를 위한 낮 대기광의 측면 관측과 아래를 향한 관측 그리고 밤 대기광의 위도에 따른 세기와 구성 변화를 위한 관측이 이루어졌었다. 분광기 선 보정 작업을 위하여 초기 대기광 관측이 수행되었으며 그 결과를 이용하여 분광기의 분광 시계의 분포에 따른 선 왜곡을 약 10 % 정도 향상을 시켰다. 그리고 초기 관측과 보정 후 천문학 관측에서 배경 복사의 종류와 그 양에 대한 사전 정보를 위해 대기광 선에 대한 확인이 이루어졌다. 그 후 여름 기간동안 수행된 낮 대기광의 관측은 아래를 향한 관측과 측면 관측이 따로 이루어졌다. 측면 관측은 FIMS S-band로만 이루어졌다. 측면 관측과 아래를 향한 관측의 원자외선 선 성분들의 종류는 비슷하였으나 원자 분자 밀도가 높은 지역이 포함된 측면 관측에서 기존의 낮대기광 관측들에서 분해 하지 못했던 새로운 선 들에 대하여 관측하였었다. 그리고 대기광 이론적 모델인 AURIC을 이용하여 관측 결과에 대한 AURIC의 성능에 대하여 비교 분석하여 성분 변화가 비교적 잘 맞고 있음을 확인하였다. 그러나 AURIC은 아직 모든 대기광 정보를 다루고 있지 않으므로 본 연구와 같은 관측 자료를 이용한 차기 성능 향상이 필요시 될 것이다. 겨울 기간인 2004년 2월에 주로 이루어진 밤 대기광 관측은 오로라와 비슷하게 규칙적으로 이루어졌었다. 밤 대기광은 위도에 따른 적도 밤 대기광과 중위도 밤 대기광에 대하여 분석이 이루어졌었다. 적도 대기광은 산소 원자 성분이 주를 이루었으며 여기에 수소 원자 선의 영향이 있음을 확인하였다. 중위도 지역은 배경을 이루는 광자의 양이 너무 높게 나타났으며 산소 원자 성분이 확인이 되었다. 즉 밤 대기광 영역의 주 성분은 산소 원자에 의한 방출선임을 확인하였다.
과학위성 1호의 지구 플라즈마 관측의 주 목적은 플라즈마 관측기기인 SPP와 원자외선 오로라에 관한 동시 관측이었다. 같은 위성에서의 동시관측은 과학위성 1호에 의해 처음으로 이루어진 것이다. 원자외선 분광기 FIMS는 오로라 아크 내부에 있는 원자외선 영역의 km 크기의 오로라 구조를 분해하였다. 동시 관측이 수행되니 SPP의 저에너지 오로라 전자 관측기 ESA의 자료로 부터 대기로 입사되는 전자의 스펙트럼 정보를 얻고 inverted-V 구조를 갖는 경우의 자료를 수집하였다. 이 전자 스펙트럼은 입사 전자의 에너지를 유추할 수 있으며 이 값과 원자외선의 세기의 비교에 관한 연구는 지금까지 자세히 수행되지 못하였었다. 에너지 정보를 이용한 원자외선 선 스펙트럼을 에너지 별로 얻었으며 이를 이용해 기존에 전자 에너지를 유추하기 위해 쓰인 LBHL/LBHS의 당위성에 관하여 관측 자료를 이용하여 직접 보였다. 그리고 입사되는 에너지 플러스와 원자외선 영역 중 높은 고도에서 산소 분자 흡수의 영향이 상대적으로 적은 LBHL 세기를 이용하여 그들의 관계에 관한 연구를 수행하였다. FIMS와 SPP는 기존 관측들에 비하여 높은 분해능을 갖고 있으므로 전자가 떨어지는 좁은 공간의 정보를 반영하여 둘 간의 관계를 연구해 본 결과 높은 에너지 플럭스일수록 원자외선 LBHL을 일으키는 효율이 높음을 확인하였다. 이에 더 정확성을 부여하기 위해 기존의 관측과 비슷한 연구를 수행해본 결과 전의 결과와 비슷한 두 요소의 선형성이 확인되었다. 이로써 본 연구를 통하여 높은 상공에서의 전자 가속에 의한 오로자 전자들은 좀 더 높은 효율로 오로라 광을 형성시킴을 관측을 통하여 알아보았다. 그리고 원자외선 영역의 연구에서도 좀 더 높은 분해능에 의한 관측의 필요성을 제시하였다.