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トレーサー

地球に届く電磁波の経路可視化に成功

松田昇也

Matsuda Shoyaのが，宇宙で非人工的に発生する電磁波の電場・磁1．宇宙の電磁波とは？

場による作用である。放射線帯を通過する科学衛星

電磁波と聞くと，携帯電話やテレビ・ラジオ放送

では「放射線被ばく」によって半導体の異常動作や等，通信のために人工的に生み出されるものを想像破壊が引き起こされる恐れがあるため，電磁波の寄する読者が多いだろう。本誌を愛読する専門家は，
より短波長の電磁波である γ 線やＸ線等を利用した与を調べて放射線帯のダイナミクスを理解すること医療機器等を想像するかもしれない。一方，宇宙で宇宙の電磁波の役割としてより分かりやすいもの

は非人工的に発生する電磁波があることをご存じだは，地上からも見ることができるオーロラであろう。

ろうか。
「自然プラズマ波動」とも呼ばれる宇宙のオーロラは宇宙から降り注ぐプラズマが地球大気に電磁波は，数 Hz 以下から数 MHz 程度に及ぶ幅広衝突することで生じる発光現象である。宇宙のプラい周波数帯域で，宇宙の環境を左右する重要な役割ズマは磁力線に沿って南北方向に運動しており，あを担っている。

る地点で跳ね返されることから，通常は大気に降りは極めて重要な課題である。

地球周辺の宇宙空間は「ジオスペース」と呼ばれ，注ぐことはない。一方，宇宙で電磁波が発生すると，領域を満たすプラズマ（電離されたイオン・電子）

この往復運動を破る効果をもたらして大気中にオーの密度やエネルギーの違いに着目すると，特徴的なロラを生む。地上から見える多様なオーロラの成因いくつかの領域に分けることができる。特に「放射は，宇宙の電磁波の効果なのである。

線帯」は地球半径の 2〜5 倍程度の領域にトーラス状に存在し，数〜数十 MeV に及ぶ相対論的エネルギーのプラズマが捕捉されている。ジオスペースを2．放射線帯に突入せよ！

満たすプラズマの大部分は数 eV 程度のコールドプ

放射線帯は人工衛星にとって極めて過酷な場所でラズマであることから，桁違いに高いエネルギーのあるから，現場で宇宙の電磁波やプラズマを測る衛プラズマが集まる放射線帯は極めて特異である。放星を運用することは簡単ではない。他の人工衛星が射線帯を構成する相対論的プラズマは，太陽活動に通常避けたがる危険な領域にあえて突入し，厳しい起因する地磁気擾乱現象（地磁気嵐）をきっかけと放射線環境に耐えながらそれらを観測するのは，してダイナミックに生成・消失を繰り返している。

2016 年に打ち上げられた日本の科学衛星「あらせ」放射線帯周辺のプラズマは，低密度（およそ 1 個 /ccである 1）。「あらせ」は優れた対放射線耐性を有す以下）ゆえに無衝突性であり，プラズマ同士の衝突る 9 つの装置を搭載し，宇宙の電磁波とプラズマをによるエネルギー授受が非支配的である。それでは同時精密計測することを目指して作られた（図 1）。

どのようにして，放射線帯の相対論的エネルギー電約 6 年もの間，放射線帯を中心とする領域で観測を子が生まれ，消えていくのか？それを支配しているし続けており，実に様々な電磁波の詳細描像を明ら

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2022 年 10 月号

No.783

換すれば，振動の様子を耳で聞くことも可能である。
ERG サイエンスセンター2）では，実際に「あらせ」が観測した宇宙の電磁波を，音声ファイルに変換して公開している。興味がある読者はぜひ「ジオスペー
スが奏でる音」で検索し，Web サイトを訪れることを勧めたい。

3．電磁波の三次元的観測
宇宙の電磁波は「波」であるから，宇宙空間を伝わっていくことができる。すなわち，とある場所で生まれた電磁波が，空間を伝わる過程で，様々な場所の宇宙環境を変化させるのである。宇宙の電磁波の効果を正しく理解するには，それがどこで生まれ，
図 1「あらせ」に搭載された科学観測装置の概略図

1）

紫色で示された装置が，電場や磁場の振動（宇宙の電磁波）を計測する装置。青色で示された装置が，イオンや電子（宇宙のプラズマ）を計測する装置

どのような経路を伝わり，どこへ向かっていくか─
これらを統合的に網羅する三次元的観測が必要である。1 基の人工衛星による単地点観測では，空間を伝わる過程の一部分を切り取って見ることしかできないため，複数の人工衛星や地上観測拠点を組み合わせた同時多地点観測に筆者らは挑戦してきた。その取組みの一部を本稿で紹介したい。
人工衛星軌道の特徴を示す要素の 1 つに，軌道傾斜角がある。赤道面に対して衛星軌道面が何度傾いているかを示す値であり，「あらせ」の軌道傾斜角は約 31 度である。宇宙の電磁波が南北方向に伝わっていくと予想すると，異なる軌道傾斜角の人工衛星で同時多地点観測すれば，空間を伝わっていく電磁波

図 2 「あらせ」が観測した宇宙の電磁波の観測例の三次元的観測ができそうである。そこで着目したのが，軌道傾斜角約 10 度の「ヴァンアレンプローブかにしてきた。図 2 は「あらせ」が観測した電磁波ズ」である。
「ヴァンアレンプローブズ」は 2012 年の観測例である。横軸に観測時刻，縦軸に現象の周にアメリカが打ち上げた科学衛星であり，「あらせ」波数をとり，色で現象の強度を示している。このよと同様に宇宙の電磁波がもたらす宇宙環境変動の調うな図を周波数−時間ダイヤグラムと呼ぶ。電磁波査を目的として 2019 年まで運用された。宇宙の電磁は宇宙空間を伝わる「波（＝振動）」であるから，波は宇宙空間を伝わって地上にも到達できることか振動の周波数が重要なパラメータである。「あらせ」ら，北米に展開された 2 つの地上観測拠点でも同時は直流から 10 MHz までの非常に広帯域の振動を計観測を狙った。2 つの地上観測拠点のうち，1 つは日測することができ，このうち数 Hz 程度の周波数帯本の PWING プロジェクト が展開するガコナ局（ア域にみられる「イオン波」や，数 kHz から十数 kHz

ラスカ南部の PWING 国際拠点の 1 つ）であり，も程度にみられる「コーラス波」が，放射線帯形成やう 1 つはカナダの CARISMA プロジェクトが展開すオーロラ発光に寄与する。空気中を伝わる音波であるドーソン局（アラスカ）である。
「あらせ」と「ヴァれば，丁度人間の可聴域の帯域であることから，「あンアレンプローブズ」は軌道運動によって宇宙空間らせ」が観測した電磁界の振動を音声ファイルに変を高速に移動するため，互いの位置関係や地上観測*）*）日本学術振興会（特別推進研究 PWING プロジェクト：16H06286）

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No.78337図3

2019 年 4 月 18 日に実現した，電磁波の同地多地点観測の結果拠点との距離が常に変化する。すなわち，全拠点が電離圏に到達すると水平方向に広がって伝わる特性

南北方向に列を成し，「同時観測体制」を満たす機会があることから，やや離れていても人工衛星が観測は非常に限定的である。加えて，宇宙の電磁波は自したものと類似した現象が観測されるはずである。

然現象ゆえに常時出現しているわけではないから，これを踏まえて図 3 を見ると，確かに赤破線の時刻「同時観測体制」を満たすときに運良く現象が出現しを中心として，類似したスペクトルパターンの現象ていないと，同時多地点観測は失敗である。

が各拠点で同時に観測されたことが分かる。すなわ

筆者らが「あらせ」を打ち上げた 2016 年以降，衛星軌道を緻密に計算して同時多地点観測の機会をち，宇宙から地上までの 50000 km もの電磁波の経路を，観測的に明らかにできたのである。

推定し，各国の連携によって同時に宇宙の電磁波をこの時の人工衛星の軌道を計算すると，「ヴァン計測する取組みを進めてきた。そして 2019 年 4 月

アレンプローブズ」はほぼ同一の磁力線上にとど18 日に実現したのが，本稿で紹介する「電磁波のまっていた。また，地上の 2 拠点は位置が不変であ同時多地点観測」であった 。図 3 は，4 つの拠点るため，磁力線との位置関係は固定されている。一で同時に観測された電磁波の様子であり，各軸の意方，「あらせ」は複数の磁力線を大きく横切る軌道味は図 2 と同様である。各拠点で特徴的な縞模様がを飛翔していた。ここで改めて図 3 をご覧いただき現れていることが見て取れ，縞模様の個々の要素は，たい。4 拠点が同一磁力線上を観測していた時刻に時間と共に周波数が上昇するパターンが繰り返されは，各拠点で観測されたスペクトルの様子がよく一ている。この時，「ヴァンアレンプローブズ」はほ致しているが，赤破線の時刻から少し前後に目を移ぼ地磁気赤道（地球の磁軸を基準とした赤道）に位すと，「あらせ」でだけ周波数方向に広いスペクト

置 し て お り，
「あらせ」は地磁気赤道から約ルを持った特異な電磁波が観測されている。これは25000 km，PWING のガコナ局と CARISMA のドー

他の 3 拠点では観測されておらず，「あらせ」が他

ソン局は，地磁気赤道から約 50000 km の位置にあっの磁力線上に移動したことで，異なる電磁波を捉えた。地球の南北半球をつなぐ磁力線に沿って電磁波たと解釈できる。すなわち，赤破線の時刻を中心とが伝わっていくと予想し，「ヴァンアレンプローブ

して，「あらせ」が他の拠点と同じ特徴の電磁波をズ」と「あらせ」がほぼ同一の磁力線を通過した時観測した距離が，現象を地磁気赤道から地上まで伝刻を図中の赤破線で示している。地上の 2 拠点は厳える「電磁波の通り道」の断面の空間スケールであ

密に同一磁力線上に位置しないが，電磁波が地球のると考えることができる。この空間スケールは，地3）38

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No.783図4

同時多地点観測のイメージ図

球の電離圏高度にマッピングすると約 80 km 程度でうと予想される（図 4-2 及び図 4-3）。

あり，通り道の長さに相当する 50000 km に対して宇宙の電磁波による宇宙環境変動は，近年着目さはるかに小さいことが分かる。図 4-1 のイメージ図れている「宇宙天気」を左右する重要な要素である。に示すように，電磁波の経路は細長いストロー状を宇宙を飛び交いながら環境変動を引き起こす電磁波成しており，その長さと太さが今回の同時多地点観を三次元的に捉え，その影響範囲や規模をモニタリ測によって明らかにされた。

ングすることで，今後の宇宙天気予報の精度向上に貢献することができるだろう。筆者らは水星に向け

4．電磁波による宇宙環境変動て航行中の水星磁気圏探査機「みお」や，木星氷衛星探査機「JUICE」に搭載する電磁波計測装置の開

宇宙の電磁波は，プラズマとの電磁気的作用に発も担当している。本研究の成果を踏まえて，地球よってイオンや電子にエネルギーを与えたり，逆に以外の惑星でも電磁波が発生し伝わっていく仕組みエネルギーを奪ったりする。電磁波からプラズマにを解明し，宇宙環境変動の網羅的な理解と普遍性のエネルギーが与えられた結果，宇宙のプラズマは加解明へと歩みを進めていきたい。

熱され，新たな電磁波を生み出す等の様々な効果をもたらす。筆者らが「あらせ」と「ヴァンアレンプ

謝辞ローブズ」のイオン計測データを精密に調べたとこ

本 研 究 は JSPS 科 研 費（14J02108, 16H06286,ろ，電磁波が捉えられたのと時を同じくして，宇宙

17H06140, 20K14546, 20H01959）， 並 び に 2 国 間 交

プラズマ中のイオンが加熱されていることが分かっ流事業（JPJSBP120192504）の助成を受けたものです。

た。すなわち，宇宙の電磁波が伝わる経路に沿って，宇宙の環境変動が起きていることを観測的に明らか

参 考 文 献にしたのである。また，今回観測された種類の電磁

1） Miyoshi, Y., et al., Earth Planets Space, 70, 101（2018）
2） ERG サ イ エ ン ス セ ン タ ー，https://ergsc.isee.nagoya-u.ac.jp
3） Matsuda, S., et al., Geophysical Research Letters, 48（2021）

波は，宇宙空間の水素イオンを散乱させ，プロトンオーロラと呼ばれる青白いオーロラを発光させることが知られている。地上では，今回観測された電磁波に対応するプロトンオーロラが発生していただろ（金沢大学理工研究域 電子情報通信学系）

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