宇宙天気ミニ講座：磁気圏編

IMAGE衛星で撮像されたオーロラ(https://www.nasa.gov/)

情報通信研究機構 電磁波研究所 宇宙環境研究室
中溝 葵

自然の核融合炉

太陽

光エネルギーの放出
SDO AIA 304 撮像 (https://sdo.gsfc.nasa.gov)

超音速に加速される太陽大気コロナ

太陽風
黒点

太陽大気”コロナ”(e-, H+, He+, …)

半暗部
暗部①強い重力と磁場②太陽内部からのエネルギー供給③何桁も変わる
温度・密度構造①＋②＋③=超音速加速

電磁流体エネルギーの放出プラズマと磁場から成る超音速の「太陽風」
SDO AIA 304 撮像 (https://sdo.gsfc.nasa.gov)

超音速に加速される太陽大気コロナ

太陽風
SOHO衛星C3撮像 (https://sohowww.nascom.nasa.gov/)

太陽電磁流体エネルギーの放出プラズマと磁場から成る超音速の「太陽風」

太陽風大規模構造の形成
太陽自転

太陽

太陽の複雑な磁場構造が関係して速度差が生まれる

太陽系の惑星太陽風速度@太陽圏赤道面

300[km/s]

速度600[km/s]

宇宙空間に3次元的に吹出す太陽風が大規模構造を形成
太陽系の惑星は太陽光・太陽風の影響を受け「惑星圏」を形成（固有磁場・大気の有無により異なったシステム）
数値シミュレーション[Nakamizo et al., 2009]

磁気圏の形成

地球の磁場
北向き

l 地球は磁場を持つ惑星。
l 地球の磁力線は、もともとは棒磁石と同じような形（南極はN極, 北極はS極)。
l 太陽風によって、前面は圧縮され反対側は彗星のように引き伸ばされている。
地球磁場の勢力範囲 = 磁気圏
l 磁気圏によって生命に有害な宇宙線の侵入が遮られている。
電離圏：太陽X線や紫外線から生命を守るバリア
磁気圏：宇宙線から生命を守るバリア
l しかし完全に閉じた磁気圏ではない。
太陽風ー磁気圏相互作用à太陽風エネルギーの流入・蓄積・解放àさまざまな宇宙天気現象が起こる。

磁気圏対流の駆動
太陽風磁場が南向き成分を持つ時…
開いた磁力線

閉じた磁力線プラズマシート(オーロラを光らせるプラズマの貯蔵庫)

太陽風

極冠域

1. 磁気圏前面で、太陽風磁場と地球磁場は反平行磁力線が繋ぎ替わる = 太陽風プラズマが磁気圏に入る
2. 一方の端は地球、一方の端は太陽風とつながった「開いた磁力線」が生成
3.4.5. 「開いた磁力線」は太陽風にとともに尾部（磁気圏後方）に運ばれる
6. 尾部で南北の「開いた磁力線」 が近づいてくる(反平行)磁力線が繋ぎ替わり「閉じた磁力線」になる
7.8.9. 「閉じた磁力線」は元に戻ろうとする力によって地球の方に戻ってくる…磁力線と一緒に太陽風起源プラズマも磁気圏内を移動
以上の一連の磁場・プラズマの循環が

磁気圏対流
オーロラ帯

https://www.nasa.gov/
Hughes [1991] (in Kivelson and Russel)より抜粋・編集

さらに
太陽風起源のプラズマは対流過程でさまざまな作用を受け磁気圏内でさまざまなプラズマ領域を形成
太陽風磁場南向き成分が大きいほど…
多くの磁力線が開くà極冠が拡大àオーロラ帯が低緯度にさまざまなプラズマ環境
太陽風
10[/cm3] ,1,000,000[K]放射線帯
MeV以上の(相対論的)電子

7[Re]

30[Re]
Re : 地球半径

内部磁気圏

プラズマシート

数十~100[keV]
西向きに流れる赤道環電流

1-10[/cm3], <10[keV]
オーロラを光らせるプラズマの起源

1 eV/k=11,604 K
k （ボルツマン定数）= 8.617×10−5 eV/K

磁気圏の変動：オーロラ嵐
太陽風エネルギー流入が適度な場合

エネルギー解放(オーロラ帯への電流流入電子降込み)?

エネルギー蓄積

プラズマシート
1-10[/cm3], <10[keV]
オーロラを光らせるプラズマの起源

l 太陽風エネルギー流入が適度な場合
ll：オーロラ嵐エネルギーはプラズマシートに一旦蓄積、「何らかのメカニズムで」突然解放
プラズマシートの電子が磁力線に沿って地球に降注ぐàオーロラ

磁気圏の変動：磁気嵐
太陽風エネルギー流入がとても大きい場合

放射線帯電子が増加?

多くの磁力線が開く/極冠拡大àオーロラ帯が低緯度へ移動?

? 強いオーロラ嵐が連発

赤道環電流が発達
地上では地磁気を打消す向きの磁場を作る

l 太陽風エネルギー流入が適度な場合
ll

エネルギーはプラズマシートに一旦蓄積、「何らかのメカニズムで」突然解放
プラズマシートの電子が磁力線に沿って地球に降注ぐàオーロラl 太陽風エネルギー流入(南向き磁場)が特に大きい場合
ll
ll：オーロラ嵐

開いた磁力線が多くなるàオーロラ帯が低緯度に移動
強いオーロラ嵐が頻発àオーロラ帯に強い電流が流れる
放射線帯電子の増加
赤道環電流が発達

気象庁柿岡地磁気観測所より： 磁気嵐

地磁気が大きく減る

太陽-磁気圏-電離圏は磁場とプラズマの世界。変化=電流の変化。
電離圏へ流込む電流や磁気圏電流の遠隔作用で、地磁気が変化（現象の表れ）
歴史的には、地磁気から宇宙空間を推察してきた。地磁気は現在も最も基本的かつ重要な情報。

磁気嵐の影響例
大気加熱・膨張

2000年7月太陽面爆発により強い磁気嵐発生
à電離圏に強いオーロラ電流
à大気加熱・膨張→大気摩擦→あすか衛星制御不能

X線天文衛星あすか

NICT Hiraiso

SOHO衛星による撮像
http://www.solarstorms.org/

http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp©JAXA/ISAS

GIC（地磁気誘導電流）l 大規模磁気嵐
à電離圏に強いオーロラ電流à強い誘導電流à変圧器のダメージにつながる

http://www.solarstorms.org/

l 1989年3月13-14日カナダケベック州での大停電
9時間にわたる変圧器ダメージ600万人に影響、復興に数ヶ月
l 2003年10月30日スウェーデン・マルメでの停電
約5万人に影響https://smd-prod.s3.amazonaws.com/
Photos courtesy of PSE&G (https://science.nasa.gov/)

オーロラ基礎知識

オーロラが見える場所
開いた磁力線

閉じた磁力線プラズマシート(オーロラを光らせるプラズマの貯蔵庫)

太陽風

極冠域

オーロラ帯

Hughes [1991] (in Kivelson and Russel)より抜粋・編集

磁気緯度：60-70度(北欧、カナダ、南極大陸….)

IMAGE衛星で撮像されたオーロラ(https://www.nasa.gov/)

オーロラが見える場所
AURORAL
ZO,NEAS KSTttWATœDFROMGœO•AGNœrlcDATA(•œsr/Nœ•

開いた磁力線ß/o.,

閉じた磁力線プラズマシート(オーロラを光らせるプラズマの貯蔵庫)../,.

,.' '!

t,ß1.1Nœ OF太陽風

....

LINœ$

œOUAL

OIt½œ½TION

OF œOUAL

Al. lRO,ti'Az0œ

I/I$1•ILIFY

inside.

the auroral zone (for which Fritz had little data) and for the isochasms

tentative estimates be available respecting the frequenciesexpected at
1700-1872年の観測記録より編纂“Isochasms”
as compared with the observed incidence noted at ground-level is of[Fritz,
Vestine
1944より抜粋]
view of the1881,increasedimportanceof auroral
displays in affecting radio
Y. I. FJZLDSTEIN and G. V. STARKOV
considerable interest.

It would also appear desirable that at least

communications, particularly in higher latitudes, the actual incidence

216

極冠域

defect still sadly evident in much of the data since 1871. However, insystematicallyrecord nights too cloudy for the observationof aurora, afrequenciesis scarcely possible,since the majority of observersdid not

the extensive data of Fritz for the influence of cloudiness on the recordedAURORA

オーロラ帯

QZfANDMAGNETICDISTIfRBANCE

79

Q=4FIG. 5. AN AURORAL BELT AT DIFFERENT DEGREES OF GEOMAGNETIC ACTIVITY.

太陽に対して固定された環状であること
地磁気活動が活発なほど大きくなることを示した。
[Feldstein and Starkov, 1967]

Hughes [1991] (in Kivelson and Russel)より抜粋・編集

When the Q-index = 0 the belt is narrowest just before midday. During the hours
before and after midnight L is larger than at any other time during the day, and in theperiod 02-06 hours L is almost three times larger than at midnight. A distinct difference
in #’ for the belt is obersved at the midday and admit
meridians, A detailed discussionof the asymmetry in auroral distribution around midday and midnight is given by Starkovand Feldstein (1967a).
When Q-index = 1 the peculiarities of the auroral beIt*shape, referred to above, remain,
but because of the rapid extension of the belt during the night the asymmetry in L is somewhat smoothed on the night side of the Earth.

オーロラ発光の仕組み
磁気圏から降込む
高エネルギー電子

イメージ(酸素原子)
衝突

電子電子が高いエネルギー準位へ移動(外側の軌道へ)
励起状態

原子核
電子軌道

エネルギー準位の差に相当する波長の光が放出(輝線)酸素原子：630.0nm, 557.7nm
窒素分子：427.8nm

発光

電子が元のエネルギー準位に戻る時…

オーロラの色・高度00UT(真夜中) 緯度65度

eO 630nm

地上からの高度[km]

磁気圏から降込む電子はエネルギーが高いほど低高度まで達する

密度[cm-3] 10-1~1keV

O 557.7nm

O+
eO2+
NO+

O2

104109N2 427.8nm

1014~100eV~10keV>200km:
大気密度が低い。主に酸素原子。
低エネルギー電子が酸素原子を励起。

100-200km:
大気密度が高い。主に酸素原子。
高エネルギー電子が酸素原子を励起。

90-100km:
大気密度がとても高い。窒素分子が多い。
非常に高エネルギーの電子が窒素原子を励起。

1019

背景写真：Wikipediaより

日本でオーロラが見えるというのは…

地球に輝く緑色のオーロラ = 酸素の存在

Credit: Polar/VIS, NASA/JPL (https://apod.nasa.gov/apod/ap011114.html)

宇宙天気ミニ講座ー磁気圏編ー：まとめ•••••

太陽系の惑星は、太陽から常に吹出す超音速のプラズマ・磁場から成る「太陽風」の影響を受けている。
地球の場合：太陽風によって固有磁場が変形され「磁気圏」が生成。
太陽風中の磁場が南向き成分を持つと：磁力線の繋ぎ替わりによって、太陽風のエネルギー・プラズマが磁気圏に流入。
– 磁気圏対流・オーロラ嵐・磁気嵐
オーロラ：– 極ではなく、円環状のオーロラ帯で見られる。
– 色と高度は、大気組成とその高度分布による。
本講座では省略した、放射線帯の詳細・各種データの見方等については過去の講座資料をご覧ください。
– http://sw-forum.nict.go.jp/→ 過去のフォーラム