Extracting OH airglow intensity from the background of the Nordic Optical Telescope

Abstract

Nattehimmellys fra OH-radikalet i mellomatmosfæren er en sterk kilde til nær infrarød stråling. Til tross for at strålingen er en besværlig og uunngåelig kilde til bakgrunnsstøy i bakkebasert nær infrarød astronomi, kan de spektrale egenskapene til nattehimmellyset gi verdifull informasjon om forholdene og dynamikken i mellomatmosfæren.

Hensikten med denne oppgaven er å studere intensiteten av nattehimmellyset. Dette er gjort ved å utvikle en algoritme som er i stand til å trekke ut intensiteten av (3,1), (4,2), (5,3), (6,4) og (9,7) overgangenes Q-forgreninger av nattehimmellyset fra bakgrunnstøyen i arkivert data fra "the Nordic Optical Telescope" (NOT), La Palma, Spania. Deretter ble den nattlige intensitetsyklsen analysert som funksjon av lokal soltid (LST) og timer etter solnedgang, og den årlige syklysen ble studert ved å bruke månedlige intensitetsgjennomsnitt. I tillegg til dette ble den årlige syklusen sammenlignet med data fra "Sounding of the Atmosphere using Broadband Emmision Radiometry" (SABER), som er et instrument montert på satelitten "Thermosphere-Ionosphere-Mesosphere Energetics and Dynamics" (TIMED).

Siden fordelingen av tilgjengelige observasjoner var tynnspredt innenfor hvert enkelt år, ble arkivert data fra 2008 til 2016 slått sammen for å studere både den nattlige og årlige syklusen. Sykluser som går over flere år, som for eksempel solsyklusen, kan dermed fordreie resultatene til en viss grad. Det ble likevel konkludert med at resultatene gir en gyldig indikasjon av den nattlige og årlige syklusen. Overenstemmelse mellom den årlige syklusen funnet av NOT og SABER styrker påstanden.

For den nattlige syklusen, ble en semi-nattlig syklus funnet, med en intensitetsnedgang etter solnedgang, et minimum mellom 19 og 21 LST, et maksimum mellom 21 og 22 LST, et nytt minimum mellom 01 og 02 LST, før en intensitetsøkning mot soloppgang. Den årlige syklusen viste en semi-årlig syklus, med en intensitetsnedgang fra januar til februar, en økning mot mai, et minimum i juni før en økning mot november. Ingen data var tilgjengelig for desember. Dataene fra SABER stemmer overens med økningen fra februar til mai, men har en slakere nedgang og økning i de følgende månedene. De høye intensitene i november og januar er ikke til stede i dataene fra SABER. Likevel, dataene fra SABER er hentet fra et sonalt gjennomsnitt. Dermed kan de tilsynelatende uoverstemmelsene stamme fra lokale effekter ved NOT sin geografiske plassering.

Airglow emitted from the OH radical in the middle atmosphere is a strong source of near-infrared radiation. Although the radiance is an inconvenient and unavoidable source of background noise in ground-based near-infrared astronomy, the spectral properties of the airglow can also provide valuable information about the conditions and dynamics of the middle atmosphere.

The goal of this thesis is to study the intensity of the airglow. This is done by developing an algorithm capable of extracting the (3,1), (4,2), (5,3), (6,4) and (9,7) transition Q-branches of the airglow from the background noise present in the archived data of the Nordic Optical Telescope (NOT), La Palma, Spain. Subsequently, the nighttime cycle of the airglow intensity was analyzed in terms of local solar time (LST) and hours past sunset, and the seasonal cycle was studied using monthly means. Furthermore, the seasonal cycle obtained using the NOT was compared with satellite data from the Sounding of the Atmosphere using Broadband Emmision Radiometry (SABER) instrument mounted on the Thermosphere-Ionosphere-Mesosphere Energetics and Dynamics (TIMED) satellite.

As the distribution of the available observations was scattered and sparse within each year, archived data from 2008 to 2016 was combined to study the nighttime and seasonal cycle. Trends exceeding a year, such as effects driven by the solar cycle, can thus distort the results to some degree. However, it was concluded that the results are valid indications of the nighttime and seasonal trends. Agreement between the seasonal cycle obtained by NOT and SABER supports this claim.

For the nighttime trend, a semi-diurnal cycle was found, with an intensity decrease after sunset, a minimum between 19 and 21 local solar time, a maximum between 21 and 22 LST, a new minimum at 01-02 LST before an intensity rise towards dawn. The seasonal trend showed a semi-annual cycle, with intensities decreasing from January to February, a rise towards May, a minimum in June before an intensity rise towards November. No data was available for December. SABER data agrees with the rise from February to May, but has a slower decrease and rise in the proceeding months. The high intensities in November and January are not present in the SABER data. Nevertheless, the SABER data was collected using a zonal mean. Therefore, the apparent discrepancies could be caused by local effects at the geographical location of the NOT.