第51回 東レ科学振興会科学講演会記録
平成13年9月19日 東京 有楽町朝日ホール

地球をとりまく宇宙空間のプラズマ

宇宙科学研究所名誉教授
日本学術振興会監事

ただ今ご紹介いただきました西田です。本西田

篤弘のことをプラズマといいます。

日は宇宙空間科学の新展開というテーマで、

たとえば、この部屋にある空気はプラズマ

上出教授、松本教授と一緒に宇宙空間科学研とはいいません。地表の大気は中性の原子や究の最近の話題をご紹介したいと思います。

分子、ほとんど分子ですが、それからできて

トップバッターの私の講演は、イントロダ

いるガスです。それがどんなときにプラズマクションの意味を兼ねた「地球をとりまく宇になるかというと、電子ビームを浴びたり紫宙空間のプラズマ」です。この題目には三つ外線を浴びたりしますと、原子核のまわりをキーワードが入っており、一つが地球、二つ回っている電子のうちのいくつかが飛び出し

目が宇宙空間、三つ目がプラズマです。地球てイオンと電子に分かれます。正確に言えば、は説明の必要はないと思いますが、ほかの二正イオン、ポジティブイオンになるわけです。

つについてまず簡単に紹介させていただきま

地球周辺の宇宙空間には太陽の紫外線がいつしょう。

も照射していますし、さまざまな原因でつく

宇宙空間科学という言葉はいろいろな意味られる電子ビームが存在することも多いので、で使われて、衛星とか探査機などの飛翔体をガスが電離されてプラズマになっている。で用いて行う研究を全部宇宙空間科学という場

すから宇宙空間の研究はプラズマの性質を理合もあります。そういう場合には宇宙空間科

解することが基礎になります。

学、つまりスペース・サイエンスには宇宙の

図１は宇宙科学研究所（ISAS）が1998年

果てに迫る天文観測まで含まれます。しかしに打ち上げた「のぞみ」という名の火星探査

今日の講演ではもっと限られた意味で、地球機が、地球を去っていく直前に地球を振り返の周辺の空間から太陽系の空間を対象にしまって撮った写真で、地球と月が写っています。

す。1957年に人工衛星が初めて打ち上げら

この地球を見ますと、青い大気がありますが、れて以来、宇宙空間の探査はいろいろな国の

一見、大気のあるところは地球の周辺の非常科学衛星あるいは探査機で行われ、非常に複に限られたところだけであるように見えます。

雑な構造があり、多彩な現象が起きていると地球と月の間は暗黒の世界で真っ暗闇である、

いうことがわかってきました。その最新の知何もない。地球と月の間に限らず、宇宙空間

見をお話しするというのが講演の趣旨です。

というのは何もないところだというのが常識

宇宙空間はプラズマで満たされ、磁場が存的なイメージでしょう。太陽系というのは真在します。プラズマとは電離したガスのこと

ん中に太陽があって、そのまわりを惑星などです。電離するということは、原子または分様々な固体物質がまわっているだけだと考え子がイオンと電子に分かれるということです

られていたと思います。しかし、ヘリウムイ

ね。つまり電気を持った粒子からできたガスオンが発する弱い光を測定すると、プラズマ
1

図１ 火星探査機「のぞみ」が撮影した地球と月（ISAS）

大気の大きなかたまりが地球を取り巻いてい「ようこう」衛星がＸ線で撮影した太陽のコることが分かります。図２はそうして撮ったロナです。なぜＸ線で撮るかというと、別に写真です。真中にあるのが地球で、左上が太透かして見るためではない。病院でＸ線を使陽の方向です。極域にオーロラの環が見えてうのは人体を透かして見るためですが、コロいますね。その地球の縁が明るくなっている

ナ観測にＸ線を使う理由はまったく別です。

のは大気光であり、電離層の大気が光っていコロナは何百万度という非常に温度が高いガるのです。しかし明るいところはそこだけでスなので、そこから出てくる光はＸ線なのではなく、かなり遠くまで明るいところが広がす。温度が高くなるに従って発生する光の波っています。実はもっと遠くまであるのです

長が短くなって、Ｘ線の領域にくる。ですかが、光があまりに弱いので写真にとることがらＸ線で見るとコロナの写真が撮れる。普通

できません。地球はプラズマに囲まれているの可視光で見えるのは太陽の光球です。「よのです。

うこう」が撮影した画像を見るとコロナには一方で太陽はどうかというと、これは言う

高温のプラズマがあるだけでなく、それが極までもなく、太陽にはコロナがあり、コロナ

めて活発に活動していることが分かります。

は温度の非常に高いプラズマです。図３はときには大きなプラズマの塊が放出されるのも観測されます。実はコロナからはいつもプラズ
マが流れ出していて、太陽風と呼ばれています。
地球周辺の宇宙空間に構造があり、その中でオーロラや磁気嵐などの現象が起きるのは、地球のプラズマと太陽のプラズ
マがぶつかってお互いに作用しあうからです。こ図２ 地球をとりまくプラズマ圏（NASA）

2の相互作用では、太陽にいますが、その間の領域や極地方から磁力線が外に向かって伸びていますね。こういうところからプラズマが流れ出していて、太陽系の空間を太陽起源のプラズマと磁力線で満たしています。プラズマの性質の一つに、磁場とプラズマがいつも行動をともにするということがあるために、太陽風プラズマが流れ出すとき太陽の磁力線を引っ張り出すのです。

図３ 「ようこう」が撮影した太陽コロナのＸ線写真（ISAS）

も地球にも磁場があるということが非常に重要です。地球は磁石で、地球のまわりには地球の磁場が広がっています（図４a）。磁場というのは残念ながら目に見えないので、私たちが研究費をいただくために説明するときにも大変困るのですが、この部屋にもいたるところに磁場があって、コンパスを使うとそ

図５ 太陽コロナと磁力線（ISAS）のことが分かります。
磁場は太陽にもあり、内部からコロナに伸太陽風の速度は毎秒数百キロメートルといびています。図５は「ようこう」が撮影したう速さで、ジェット機が１時間近くかけて飛コロナの写真の上に太陽の磁場の磁力線を重ぶ距離を僅か１秒で通過します。地球のプラねて描いたものです。コロナの写真で暗くなズマと磁場にはこのような高速の太陽風が吹っているところは黒点の領域であり、非常に

きつけ、それと同時に、コロナの磁場も押し活発な活動が起きているところです。そのよ

寄せています。

うな領域の磁力線は閉じたアーチの形をして太陽風のイオンや電子は、地球に近づいて
地球の磁場の中に入ると、もはや真っ直ぐに走ることはできません。電気を持っている粒子の運動は磁場に影響され、磁力線の回りを周回するという性質があるからです。回転運動の半径は磁場の強さ、粒子の質量と速度で決まりますが、地球までの距離に比べるとは

図４ （a）元来の地球磁場（b）磁気圏に閉じ込められた地球磁場

るかに小さいものです。地
球磁場のあるところとない
3

ところの境界で、ない側からある側に入った粒子は地球磁場のもとで半回転して、ない側に戻ることになります。太陽風のイオンや電子は地球の磁場によって反射されるのです。
一方、イオンや電子は反射されるときに磁場のある側に圧力を及ぼして、地球の磁場を押し縮めようとします。そのため、地球の磁場はどこまでも広がることはできず、磁気圏という領域に閉じ込められます（図４b）。太陽風と磁気圏の境界面の位置は、太陽の真下にあたる正午の赤道面では、地球の半径の10

図６ 太陽コロナ、太陽風、と磁気圏の関係

倍ぐらいのところです。すなわち約６万４千
キロメートルです。これは太陽風の密度と速風が存在することの効果の第二は、そのエネ度から求まる圧力と地球磁場のモーメントとルギーが磁気圏に侵入してさまざまな現象をで決まる値ですが、それがたまたま10倍とい起すということです。

う覚えやすい数になっているのです。太陽風

太陽と地球の磁気圏の関係を、要点だけ簡があることによる効果の第一は、このように単に描いたのが図６です。太陽コロナから太して地球磁場を閉じ込め、磁気圏を作ること

陽風プラズマが流れてくる。その速度は太陽です。

風の中の音速を超えていて、超音速です。そしかし、太陽風が反射されるということだ

れが地球の近くまで来ると、衝撃波面で急激けがすべてであるとすると、これは何もおもに遅くなってから地球の磁場にぶつかり、地

しろいことはないわけで、太陽風の入ってこ球磁場を閉じ込めて磁気圏をつくります。昼ない空洞ができるという話で終わりになって

間側は地球の半径の10倍ぐらいのところに境しまいます。幸いにしてそこで終わるのでは界があるのですが、夜側には長く伸びた尻尾

なく、太陽風のエネルギーは磁気圏の中に入ができています。夜側には太陽風が直接ぶつってきます。

かりませんから、夜側の磁気圏が昼間側のよ

そのことは昔から気付かれていました。太うに狭いところに閉じ込められていないのは陽にはフレアーという爆発現象があります。

もっともといえますが、尻尾は非常に長く、この現象が起きると２〜３日経って、地球で地球の半径の何百倍というところまで伸びて

磁気嵐という現象が起きるということが昔かいます。このように長い尻尾をつくるのも、ら知られていました。磁気嵐というのは世界

磁気圏に侵入した太陽風エネルギーの働きで中で磁場が弱くなる現象で、磁石を使って航す。

海する人達が難儀するので気付かれていまし

太陽系の中で尻尾があるということで有名た。磁場が弱くなるのは地球の回りに電流のなのは地球ではなくて、彗星（コメット）で環ができるためですが、それがフレアーの２すね。ハレー彗星など、尻尾があるのがコメ〜３日後に起きるということから、太陽フレットの特徴だと思われています。地球の尻尾

アーから光だけではなく、イオンや電子が飛と彗星のプラズマ尻尾ができるメカニズムはび出しているのだろうと推測されていたので同じではありません。地球には磁場があります。これは、今使っている言葉を使っていえすが彗星には磁場がないので、構造が違いまば、太陽風のエネルギーが何かのメカニズムす。しかし共通点もあります。それは、どち

で磁気圏の中に入ってきて、そこで電流を流

らも太陽風があるということのためにできてすということを意味しています。従って太陽いることです。太陽風が力を及ぼすために尻4尾ができているのです。もう一つの共通点は、た磁力線と南側から来たものがつながるので彗星の場合も地球の場合も、尻尾の中にあるす。尾部内でのリコネクションは「開いた」

プラズマは彗星なり地球の大気からのプラズ

磁力線６マと太陽風のプラズマが混ざったものであると地球につながっていない磁力線８ということです。

ます。こうして作られた「閉じた」磁力線は太陽風のエネルギーが磁気圏に侵入するの−６

太陽方向に９を、「閉じた」磁力線８

から１

に変え

へと動いて、元の位は、太陽風磁場の磁力線と磁気圏の磁力線と置２がつながるためです。太陽風はコロナの磁力ョンは尾部を作るだけでなく、磁気圏の中に線を運んでくるのですが、この磁力線が磁気大きな対流運動を発生させます。運動が太陽圏の中とつながることによって、磁気圏内の風から磁気圏内に伝えられるということは、磁力線とプラズマが太陽風によって動かされ運動エネルギーが供給されることであり、そるようになり、夜側に引っ張られて尾部を作れが引き伸ばされた磁場のエネルギーと対流るのです。

運動のエネルギーになるのです。また、つなに達します。このように、リコネクシ

図７は太陽風磁場が真南向きの場合についがった磁力線にそって太陽風プラズマの一部てこれを描いたもので、左から流れてきた太も磁気圏に侵入し、対流運動に乗って磁気圏

陽風磁場の磁力線１の奥深くまで入ります。

がつながって２−２と磁気圏の磁力線１になります。磁力線

図７では太陽風磁場が真南向きと仮定しまがつながることをリコネクションとよびます。

したが、実際には太陽風磁場は一定ではなく、

単にコネクションではなく「リ」コネクショ

大きさも方向も常に変動しています。コロナ

ンとよぶのは、二本の磁力線が接したところの磁場が一様でなく変動も激しいからです。

で一旦切れてつながるというイメージを強調

リコネクションによって発生する対流運動のしたものです。つなぎかえられた磁力線は

強さは、太陽風磁場の変化に伴って変わりま３ −３ ，
４ −４ ，
５ −５ ，
６ −６ のようにす。太陽風磁場が南向きの時にもっとも強く、動かされると共に引き伸ばされ、尾部を作り北向きになるにしたがって弱くなります。私ます。白抜きの矢印はこの動きを示すものでの若い頃の仕事の一つは、このことをデータす。一端が地球にあり、一端が太陽風にある

解析で示したことでした。1960年代に、ま磁力線を「開いた」磁力線とよび、両端ともとまったデータが出始めたばかりの太陽風磁

地球にある磁力線を「閉じた」磁力線とよび場（南北成分）変動を、地表で世界的に観測ます。

される磁場変動のデータと比較してみたのでリコネクションは尾部の中でもおきます。
尾部の中央面に向かって北側から運ばれてきす。地表の磁場観測から磁気圏の対流運動を知ることができるのは、対流運動が電離層のプラズマを動かして電離層に電流を流し、この電流が磁場を作るためです。図８に示すよ
うに非常に良い相関があることが分かり、リ
コネクションが磁気圏対流を駆動していることの有力な証拠としてかなりの反響をよびました。
というのも、その当時はリコネクション説が確立していたわけではなく、磁気圏対流の原因は太陽風が何らかの流体的な粘性を及ぼ

図７ リコネクションによる対流運動の発生と磁気圏尾部の形成すためである、という説も唱えられていたのです。私がこの解析をしたのも、リコネクシ
5この衛星は、名前の通り、磁気圏の尻尾を研究することを主な目的とするものです。研究
課題は、（1）太陽風磁場の変動に対して、尾部の構造はどのように反応するのだろうか、
磁気圏対流のパターンはどのように変化するのだろうか。（2）磁気圏尾部内でリコネクシ
ョンが発生するのはどんな時だろうか、発生する場所はどこだろうか。（3）磁気圏の中でイオンや電子はどのようにして加速されているのだろうか、リコネクションによる加速は
図８ 地上と太陽風の磁場変動の相関
地上の磁場変動は、極域（中）でも赤道域（下）でも、
太陽風磁場の南北成分の変動（上）と非常に相関が良い。

どのように働くのだろうか、ということでした。
この衛星計画の特徴は、研究目的に則してョン説を証明しようという意図からではなく、最適の軌道を作ったことです。図９はジオテ

どちらかといえば反証を見つけてやろうといイル衛星の軌道です。ミッションの前期（左う気持でした。予期しなかったこと、期待し図）は、尾部の遠くの領域を調べるためにななかったことが見つかることによって新しいるべく遠くまで飛ばし、しかも遠地点がいつ

展開が生まれる、ということが良く云われまも夜側にあるようにしました。このために月すが、私にとってこの解析はそのような経験の近くを通らせて月の引力で軌道を調整するでした。

「月スイングバイ」と呼ばれる技術を使い、さて、地球をとりまく宇宙空間を構成して地球から地球半径の約220倍に至る広い領域

いる太陽風と磁気圏についておおまかに話しで尾部観測を行いました。その後は（右図）、

ましたが、この空間の物理には沢山の問題が昼間側では磁気圏の境界面、夜側では地球半含まれていて、それを解き明かすために世界径の30倍までの尾部を探査するようにしまし

中の研究者が努力しています。宇宙科学研究た。衛星は宇宙科学研究所が開発し、NASA所（ISAS）はNASAと共同でジオテイル衛がロケットを提供するという大規模な国際協星計画を企画し、1992年に打上げました。

力プロジェクトで、打上げから９年以上たっ

図９ ジオテイル衛星の軌道（ISAS）
原点は地球、横軸は太陽方向で単位は地球半径。

6のことをシミュレーションによって示すものです。三つの図が含まれていますが、これは太陽風磁場の方向によって尾部の形と構造がどう変わるか見るためです。一番上の（a）は
太陽風磁場が赤道面から南に30度の角度をなすときのものです。地球の近くの磁力線は閉じていますが（緑）、尾部の磁力線は開いています（青）。
尾部の中の赤い磁力線は、尾部内のリコネクションで作られた磁力線のうち、地球に根をもっていないものです。真中の（b）は太陽風磁場が赤道面から北に15度の角度をなすときの も の で す 。（ a ） と 比 べ て み る と 、三種類の磁力線があるのは同じです
が、尻尾がひねられているのが特徴です。これは開いた磁力線を介して、
図10 磁気圏尾部の形は太陽風磁場の方向に支配される
図は、太陽風磁場が赤道面となす角度が（a）30度南向き、（b）15度北向き、（c）60度北向き、の時の尾部の形。

太陽風磁場が引っ張る力を及ぼすだ
けでなく、ひねりも加えるためです。
磁力線の基本的な形態（トポロジー）

た今も衛星は元気に観測を続けています。

は、（a）も（b）も図７と同じであり、磁気ジオテイル衛星に搭載した機器が測定して圏内の対流運動の流線も図７と同じです。対いるのは、まず磁場と電場です。磁場は磁気

流速度は磁場が北向きに近づくとともに弱ま

圏の骨組みにあたるものです。電場についてります。

は、プラズマは磁力線と一緒に動くという性一番下の（c）は太陽風磁場が赤道面から質がありますが、「ドリフト」とよばれるこ北に60度の角度をなすときのものです。このの運動は電場に支配されます。また電場はイ

時、尾部のひねられ方は（b）よりももっと

オンや電子を加速します。プラズマ観測には大きくなりますが、それだけではありません。

四種類の機器が用いられています。イオンや（a）や（b）の場合と違って、昼間側の磁気電子がいかにして加速されるか、ということ

圏境界面ではリコネクションが起きていませは最も重要な課題の一つですから、プラズマん。すなわち、閉じた磁力線（緑）が開いたをしっかりと調べる。エネルギーの高いほう

磁力線（青）に変わるというプロセスが起きと低いほうでは測り方が違いますので、別のていないのです。これは、太陽風の磁場も磁機械を使います。またプラズマというのは波

気圏の磁場もどちらも北向きで、殆ど平行だが立ちやすいガスであり、その波があることからです。リコネクションの進み方は、接しによってイオンや電子のエネルギーが変わる

合う磁力線の間の角度によって決まり、反平

とか、エネルギーが輸送されるということが行のときが一番速く、平行に近づくに従って起きますから、プラズマ波動も大事な観測項遅くなって、ある程度以上平行に近いと止ま目で、そのための装置も載っています。

ってしまいます。太陽風磁場が真北向きに近ジオテイル衛星の観測によりますと、磁気いときには、太陽風との境界面で磁場が「ほ圏尾部はいつも存在しています。図10はこぼ反平行」になっているのは昼間側ではなく、
7

尾部の表面においてですから、この時は開いるために発生するものです。オーロラの光のた磁力線と太陽風磁場とが尾部境界面でリコ環はいつでも存在しますが、その幅や明るさ

ネクトします。開いた磁力線（青）の太陽風

は変化します。この例では、左から４番目の内の部分が、リコネクションによって別の太

写真の時刻から、オーロラの環が最夜中ごろ

陽風磁力線にとりかえられ、更新されるので明るさを増しました。

す。この場合には尾部の中でのリコネクショ
ンはおきません。
太陽風磁場が真北向きに近い時を除いて、

図11の下の図はジオテイル衛星が観測したデータです。ジオテイル衛星は地球の半径で測って約30倍もの遠くにいたのですが、オー

尾部の中でリコネクションがおきるところはロラが急に明るくなったところと同じ磁力線２ヵ所あって、地球半径の約25倍と約100倍の上にありました。オーロラの明るさと幅がの距離にあります。遠い方でのリコネクショ

増したところを通る磁力線をずっとたどってンは図７や図10の（a），（b）に描かれていいくと、ちょうどジオテイルのいたところだ

るもので、ほとんどいつも起きています。地った、という意味です。上の最も左の図には、球から近い方でのリコネクションは爆発的に逆にジオテイル衛星の位置を磁力線に沿っておきるもので、オーロラの活動と深い関わり

オーロラの起きる高度に投影した位置が丸を持っています。

（GTL）で記されています。ジオテイル衛星

図11は二つの衛星のデータを比べていまのデータには二つのカーブが描かれています

す。上の図はオーロラの画像で、ジオテイルが、赤いほうが速度のデータで、黒いほうはではなく別の衛星（ポーラー）が北極の真上

磁場の南北成分のデータです。プラズマの速近くで、地球半径の数倍のところから下にカ

度の単位はkm/sec、毎秒何キロメートルでメラを向けて撮った写真です。パネル毎に時す。速度のデータを見ると、約400km/secと間が書いてありますが、だいたい３分おきにいう大変に速い流れが地球と反対向きに急に画像が撮られています。７枚の画像がありま成長しています。同じ頃、磁場も変わりはじ

すが、どの絵でも右側が夜側です。ご覧のとめています。北向きの成分が短い間増えてかおりオーロラが環になっています。オーロラ

ら、南向きになります。磁場が南向きで速度というのは磁極をとりまく光の環で、磁気圏が反地球向きになるというのは、図７の磁力から高速の電子が降ってきて大気を励起させ

線８や図10の赤い磁力線と同じ性質ですから、このデータはジオテイル衛星の地球側でリコネクションが発生したことを示しています。しかもそれが始まった時間は、オーロラが光りはじめた時間に非常によく合っていました。
図12はリコネクションの起きたところと、二つの衛星（ポーラーとジオテイル）の位置関係を描いたものです。地球半径の約25倍のところで起きるこのリコネクションは、閉じた磁力線の領域で発生し、地球と反対の方向に磁力線のループを飛び出させます。これをプラズモイドとよびます。
このように磁気圏尾部でリコネクションが
図11 オーロラの発達と磁気圏尾部におけるリコネクションの発生は密接に関連している（ISAS，NASA）

8

起きることと、オーロラを光らせる電子の発生には密接な関係があるのです。このことは、

エネルギーの貯蔵庫であり、そこではリコネクシ
ョンというエネルギー変
換メカニズム（つまり加速機構）が働いているのです。
ジオテイル衛星は、リコネクションによって磁場エネルギーが解放されてオーロラが起きるとい
図12 図11が取得された時のポーラー衛星とジオテイル衛星の位置関係

うことを観測したのです
が、実は同じメカニズム

リコネクションによって解放された磁場エネが太陽フレアーの発生にも関わっていること

ルギーが高速の電子を作り、オーロラを光らがわかりました。

せるということを示唆しています。

図13の左図は、同じころ宇宙科学研究所

どうしてリコネクションによってエネルギが打ち上げた「ようこう」衛星が観測した太ーが解放されるかということを簡単にお話し

陽フレアーのＸ線画像です。これはちょうどしましょう。力学的に言うと、磁力線という太陽面の端のところ（リム）でフレアーが起のはゴムひものような性質を持っているので、きた例であり、左下が太陽のリムです。明る磁力線が引き伸ばされて尻尾の形になってい

く光っているところがエネルギーが解放されるということは、ゴムひもが伸ばされているて温度の高いプラズマが作られているところことに対応していて、そこにはエネルギーがですが、そこはどういうところかというと、蓄積されています。ゴムひもの場合は弾性エ

ループのてっぺんです。このループは、右側

ネルギーが蓄積されるのに対応して、磁力線の図に描かれているように、磁力線を表すもの場合には磁場エネルギーが蓄積されます。

のです。リコネクションが起きているのは、

リコネクションが起きるということは、い衛星の画像に見えるループよりもすこし上のわばゴムひもを二本ならべて伸ばし、その途所で、そこで加速されたプラズマが太陽側に中で二本を結び合わせてから、ちょん切るよ

落ち込むところで高温になり、強いＸ線を放うなものです。そうすると、伸びていたひも射しているのです。

は左右に分かれて縮んで行くという運動をししたがって、太陽のフレアーも、オーロラ

ます。動き始めるということは、運動エネル

を含む地球の磁気圏の大規模な擾乱現象も、ギーが増していることを意味しますから、ゴムひもの弾性エネルギーが運動エネルギーに変わったのです。磁気圏の場合には、伸びた磁力線が縮むことによって磁場エネルギ
ーが運動エネルギーに変わります。摩擦のような何らかのエネルギー散逸機構があれば、熱エネルギーに変わります。
このように磁気圏尾部は磁場

図13 太陽フレアーの観測と磁力線リコネクションによる解釈（ISAS）

9

どちらもリコネクションによって駆動されて温度というのは、速度分布の幅を表すものでいます。エネルギーの流れをまとめますと、す。つまり、１立方センチの中にある分子の地球の場合にはまず太陽風がエネルギーを運

速度にどれほどの広がりがあるかを示すのがんで来、太陽風磁場と地球の磁場がリコネク温度です。空気が止まっていて平均速度がゼションによってつながることによって、太陽ロのときには、右に行くものと左に行くもの

風のエネルギーが磁気圏に入りこみ、磁気圏と、その速度の幅が温度に対応します。この尾部の磁場のエネルギーとして蓄えられる。

ように、中性の大気の場合には、風が吹いてそれが尾部の中で起きるリコネクションによいるか、空気が熱いか冷たいか、それだけでって解放されて、オーロラなどの現象が発生状態を表現できます。においがするというのするという順序です。太陽の場合は光球内でがありますが、これは組成の問題で、今は忘作られた磁場がコロナに広がり、激しい運動

れてください。組成の問題を忘れれば、大気によって乱されて磁場エネルギーを蓄積してのようなガスの性質は平均速度と温度、それいる。そのエネルギーを解放しようとしてリに密度で表現できます。

コネクションが起き、フレアー現象が発生します。

しかし、ここで注意しなければならないのは、速度分布の幅を｢温度｣というパラメータ

さて、ここまでの私の話では、プラズマがーだけで表現できるためには、速度分布の形流れている、それと共に磁力線が動いている、が何か決まったものでなければいけないといという表現をたびたび使いました。そこではうことです。観測する場所ごとに、速度分布

常識的な意味で速度という言葉を使っていたの形がまちまちだと、速度分布の広がりだけのですが、これからプラズマの加速を説明す

では分布の性質を表現することはできません。

るためには、日常生活ではなじみのない概念、

実際には、空気の場合の速度分布関数は、平すなわち速度分布関数という概念を使わなけ

均値を中心にして「つりがね」のような形をればなりません。

しています。このように標準的な形のことを速度分布関数というのは何かというと、いマクスウェル分布といいます。そのようにな

まここで１立方センチなら１立方センチの空

るのは、空気の密度が十分に高いので、分子気の塊を取ってみましょう。その中には約同士が頻繁に衝突するからです。そうすると、

19

10 個の分子がありますが、どの分子も止ま

あんまり速いやつは遅くされる、遅いものはっているわけではなくて、それぞれが異なる

速くしてもらえる、そういうことが頻繁に起速度で飛び交っています。そのとき、それぞ

きて、速度分布がある形にまとまります。それの速度毎に粒子がいくつあるかということのようにしてマクスウェル分布という標準的を示すものを速度分布関数といいます。グラな分布が実現されているので、「温度」といフに描けば、横軸が速度で、縦軸が速度区分

うパラメーターで分布の広がりを表現するこごとの粒子数という格好になります。ある速とができるのです。

度のものが一番多くて、それからはずれるにしかし、宇宙空間のプラズマでは、衝突は

従って数は少なくなっていくというのが普通

あまり起きてくれません。というのは、宇宙の分布です。

空間の粒子はそれぞれ速度が速く、密度が低この速度を、１立方センチの中の分子すべい。そうすると、お互いにそもそもぶつかるてについて平均すると平均速度が出てくる。

確率が少ないし、衝突するコースに来てもあ

それが空気についていえば風速というものでまり速度を変えずにすり抜けてしまう。だかす。これまで使っていた「速度」はそういうら宇宙空間のプラズマでは、衝突によって速意味の平均速度でした。空気の性質をあらわ

度を調整しあって標準的な分布にするという

すには、この「速度」と共に温度も使います。

メカニズムがあまり働かないのです。ちなみ

10

に、太陽風の中のプロトン（陽子）は太陽からエネルギーを散逸していくということがあら地球までやってくる間に10回ぐらいしか衝

ります。ですから、速度分布がマクスウェル

突しない。これは途方もない少なさですね。

分布になっていない宇宙空間のプラズマでは、

そういうことがありますので、マクスウェル

多彩な波動現象が起きます。たとえばオーロ

分布になりえないことが、しばしばあります。

ラから電波が出るというのもそういうメカニ

速度分布がマクスウェル分布になっていな
いということは、宇宙空間の謎を解くためにズムの一つが働いているからです。
衛星に搭載したイオンや電子の測定器は、は、大変有難いことです。宇宙空間のプラズ

あらゆる入射方向について、どんな速さの粒

マにはいろいろな加速や輸送のメカニズムが子が毎秒ごとに何個飛んできたかということ働いていて、イオンも電子も、さまざまなメを計測して、プラズマの速度分布関数を観測

カニズムを経験しています。どの粒子も同じします。ジオテイル衛星は、予想にたがわず、経験をしてきたのではなく、たとえば、加速非常に複雑な速度分布関数をしばしば観測し領域を一度だけ通ったことのある粒子と、二ています。図14は、二つのピークを持つイ度、三度と繰り返して通ったことのある粒子

オンの速度分布の一例です。（左の図では縦とが、同じ場所に同時に存在していることが軸が磁場の方向、横軸は平均速度の方向でああります。そのような場合には、加速を何回り、右の図では縦軸が電場の方向で、横軸が受けたかで、当然、速度には違いがあり、速平均速度の方向です。）右の図でＰ１とＰ２

度分布はいくつかのグループが重なった形にと印をつけたピークは速度に相違があります。

なります。グループ毎の性格や相違は、どのこの違いは、Ｐ１周辺のイオンは加速領域をようなメカニズムで加速されたのかを反映し１回通っただけであるのに対して、Ｐ２周辺ています。イオンや電子の速度分布が全体とのイオンは２回通ったためであるとして解釈してならされていず、マクスウェル分布になできるものです。矢印は全体をまとめて見たっていないということは、そういう貴重な手

ときの平均速度です。

掛りが消されずに残っているということなのです。

また、宇宙空間のイオンや電子の速度分布には、エネルギーの非常に高い成分が存在す

しかし、マクスウェル分布と異なる速度分ることがあります。マクスウェル分布に比べ布は、いつまでも安定に存在し続けることはると、エネルギーの高い成分が異常に多いとできません。マクスウェル分布は一番エントいうことです。速度分布がマクスウェル分布

ロピーの大きな状態ですから、マクスウェルに従っている粒子を熱的粒子とよび、マクス

分布でない分布は、なんとかマクスウェル分布に近づこうとします。衝突の効果は小さいのですが、ほかのメカニズムが働きます。そのうちの一つが波を発生することです。
波の話はあとで松本先生
がなさいますが、波を介することによって、個々の粒子が相互作用するというよりは、ある程度まとまって相互作用しなが

図14 ジオテイル衛星で観測された二つのピークを持つ速度分布関数の例（ISAS）

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ウェル分布の場合よりも過剰に存在する高エ下半分では向こう向きで、真中の面は磁場がネルギー粒子成分を非熱的粒子とよぶことがゼロの面、つまり磁気中性面です。電場は右あります。非熱的な粒子ができるためには、向きです。図の上側から入ってきたイオンは、多数の粒子の中で一部分だけが特に効率的に磁場の強いところでは、時計回りの回転運動

加速を受けなければなりません。エネルギーをしながら磁場と電場に直角な方向にドリフの高いイオンや電子はさまざまな現象を引きトして、磁気中性面に近づきます。この面を起こす能力が高く、たとえ粒子数全体の中で通過すると、磁場の向きが反対になっていま占める割合が大きくなくても、目だった働き

すから、回転運動の向きが変わります。反時をします。従って、こういう成分がどうして計回りになります。イオンが半回転して中性作られるのかということは、物理として非常面を再び通過すると、回転の向きはふたたびに興味ある問題であると共に、宇宙空間の現

時計回りになります。このようにして、イオ象を理解するために欠くことのできないもの

ンは回転の向きを反転させながら磁気中性面です。

に捉えられ、蛇行運動をすることになります。

リコネクションが起きる領域は、活発に加速が行われ、高エネルギーの粒子が作られる

蛇行運動がイオンを電場の方向に移動させて行くので、イオンが加速されるのです。

場所のひとつです。イオンや電子が加速され高いエネルギーの電子がリコネクション領るためには、電場が及ぼす力の方向に粒子が域で作られていることを示すシミュレーショ

移動できなければなりません。しかし磁場がンをお見せしましょう。図 1 6 の上の図は、あるときのプラズマのドリフト運動は、電場

電子のグループが四つの時点でどこにあったに直角な方向を向いています。電場に直角にかを示しています。それぞれの時点での位置動いたのでは加速を受けることができません。

を色の違いで区別しています。これらの電子

ところがリコネクションが起きるところは方は、ある単位で測って77.2という時間に図の向の違う磁場が接しているところですから、左側のある点（黒丸）にかたまっていたもの

磁場が弱いのが特徴で、そのために加速が起ですが、それ以前の時間では広がっていまし

きうるのです。このことを図15を使って説た。下の図は、これらの四つの時点での電子

明しましょう。

のエネルギースペクトルです。77.2という時

この図は磁場の方向が逆転する面（z=0）

間のスペクトル（下左）を見ますと、電子のを中心として、イオンの軌道を描いたもので静止エネルギーmc 2（約１メガ電子ボルト）

す。磁場の方向は図の上半分ではこちら向き、を超える高いエネルギーを持つ電子が存在しています。この時エネルギーが静止エネルギ
ーの1.015倍よりも低かったものは無視することにして、それ以外の電子がこれよりも前の時点で持っていたエネルギーを示すのが、ほかの三つのスペクトル図です。時間をさかのぼるほど高いエネルギーの電子は少ない、
つまり時間が進むにつれエネルギーの高い電子が増えていることがわかります。
次に図16の上の図で時間順に粒子の群れの位置を追ってみると、65.9という早い時間では磁気中性面から離れたところで左右に広がっていたものが、時間がすすむにつれて磁気

図15 磁気中性面の近くでのイオンの軌道12中性面に移動し、続いて磁気中性面の左の方

にひろがっています。磁気中性面を通るときという疑問の段階を越えて、リコネクションに、静止エネルギーを超える高エネルギーのの物理とその効果をもっと深く研究すること

電子が作られているのです。前に説明に使っができるようになっているのです。

た図15では磁場の構造が一次元でしたが、図宇宙にはほとんどどこでも磁場があります。

16に示したシミュレーションでは二次元的なですから、磁力線のリコネクションというメので、電子が何度も磁気中性面に戻ってきて、カニズムは、宇宙のさまざまなところで発生非常に高いエネルギーまで加速されています。

し、プラズマを加速しているでしょう。太陽

宇宙空間の研究は、科学衛星による観測がフレアーもその例です。このように、地球周実現したために飛躍的に発展した分野です。

辺の宇宙空間の研究は、それ自体として面白

磁気圏の尾部や太陽風にうかぶ衝撃波面など

いだけでなく、広い宇宙の現象を理解するたの存在が衛星観測によって証明されたというめの基礎としての意味も持っています。地球だけでなく、これらの構造を作り、駆動する周辺の空間で起きている現象にくらべて、宇メカニズムを実証的に研究することが可能に

宙の現象は遥かに大きなエネルギーで駆動さなったのです。今の講演の中でも、磁場とかれていますが、そこに働いている素過程、たプラズマの速度分布とかいう概念をたびたびとえばエネルギーの高い電子をつくるメカニ使いましたが、宇宙空間の磁場やプラズマのズムという点では、共通点があります。直接

速度分布関数は、地上から観測することはで観測によって物理過程を確認することのでききません。衛星を飛ばして、宇宙空間のそのる地球周辺と太陽系の空間は、広く宇宙のプ場に観測装置を送ることによって、初めて観ラズマ物理の実験室として、観測と比較しな測できるものです。磁力線のリコネクション

がら宇宙プラズマ素過程の理論を築いて行くというメカニズムは現代の磁気圏物理学の要ことのできる場所としても重要なのです。

をなしていますが、もし衛星の観測がなかったら、決定的な証拠を欠いていたでしょう。
衛星観測のデータが存在するからこそ、われ
われはリコネクションが起きているかどうか

図16 リコネクションによる非熱的な高エネルギー電子の生成のシミュレーション

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