Altitude profile of electron density and oxygen green line in active auroral arcs based on electron differential number flux observed by sounding rocket

Abstract

The Monte Carlo method was applied to investigate electron auroras observed by the sounding rocket S-310JA-8, which was launched on April 4, 1984 from Syowa Station in Antarctica of the invariant latitude 66.14 deg S and the geomagnetic longitude 70.98 deg. The number density of the atmosphere, in which constituent elements were assumed to be N2, O and O2, and temperatures were estimated by the MSIS-86 (Millstone hill Incoherent Scatter radar) model for the aurora observed there. A downward electron differential number flux was measured at the altitude of 200 km, from which electrons were injected downward into the upper atmosphere. An initial electron energy E(sub 0) is investigated in the range from 100 eV to 18 keV. An initial pitch angle was assumed to be uniformly distributed in the range of (0, pi/2). Ionization rates of N2, O and O2 were calculated as a function of an altitude, the initial pitch angle, and the initial electron energy. The total ionization rate obtained by summing up individual ionization rate was considered to be a production rate of thermal electrons. A loss rate of thermal electrons was estimated by using an electron density and an effective recombination rate. Under the assumption of local equilibrium of ionization and recombination, the height profile of electron density was deduced and compared with the observed one. The height profile of an emission rate was also investigated for the oxygen green line. The emission rate calculated as contribution from the electron impact was compared with the one produced by the collision process N2(A(sup 3) capital sigma(sub u)(sup +)) + O(triplet-P), and it was made clear that the latter collision process was more efficient to excite oxygen atoms from O(triplet-P) to O(singlet-S) than the electron impact in the wide range of electron energy observed by the sounding rocket.

不変緯度66.14度S、地磁気経度70.98度に位置する昭和基地から1984年4月4日に打ち上げられた探測ロケットS-310JA-8によって観測された電子オーロラをモンテカルロ法を用いて検討した。観測されたオーロラについて、N2、OおよびO2によって構成されると仮定した大気組成の数密度および温度をMSIS(ミルストンヒルの非干渉性レーダ)-86モデルにより、そこで観測したオーロラを推算した。電子が下方向に高層大気に注入される高度200kmから下方向への微分電子数流束を測定した。電子の初期エネルギーE(sub 0)を100eVから18keVの範囲で検討した。初期ピッチ角は[0,π/2]の範囲に均一に分布しているものと仮定した。N2、OおよびO2のイオン化速度を高度、初期ピッチ角および電子の初期エネルギーの関数として計算した。個々のイオン化速度の総和として得られた全イオン化速度を熱電子の生成速度と考えた。熱電子の消失速度を電子密度と有効再結合速度から推算した。イオン化と再結合についての局所平衡の仮定に基づいて、電子密度の高度プロフィルを推定し、実測値と比較した。酸素の緑色線の発光速度の高度プロフィルも検討した。電子衝撃からの寄与として計算した発光速度をN2(A(sup 3)Σ(sub u)(sup +))+O(3重項-P)の衝突過程から得られる発光速度と比較した。この結果、探測ロケット観測による広い電子エネルギーの範囲にわたって、酸素原子をO(3重項-P)からO(1重項-S)状態に励起するためには、衝突過程のほうが電子衝撃よりも効率的であることがわかった。