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手作りオーロラのスペクトル牧田 里美、長谷川千桂、山出 果歩(埼玉県立春日部女子高校・地球科学部 1 年)
鈴木 文二(埼玉県立春日部女子高校)
0. はじめにを放出している。電気をもつ粒子は磁力線に楽しいことをやる。誰もやっていないこと引かれ、円を描いて発光する。に挑戦する。オーロラは流星より高度が高い

100 km 以上の高層の大気は 0.3 Pa 以下な現象なので、天文分野に入れてもらおう。木ので、真空ポンプが必要なこと、電圧は 500 V

星型惑星には、オーロラが見えることも理由

から 1000 V 以上かけること、ネオジウム磁としてあげよう。2011 年夏、名古屋での年会石などの強力磁石が必要なこと、私たちが得発表の事後報告である。（顧問）

た情報はこの三つである。

1. 研究の動機

3. 実験装置の製作

5 月のある日、理科総合 B の授業でオーロ

私たちの学校は創立 101 年目になる。新しラの映像を見た。宇宙に関する部活（地球科い備品を買う予算はほとんどないそうだが、学部）に入ったからには、オーロラを実際に伝統ある学校には古い装置が眠っている。今見たいと思い、オーロラを見るための方法を回の実験装置は物理室の片隅にあったものを考えた。はじめに思いついたのは、映像に出借用した。50 年前の真空ガラス容器、電源装てきた北極に、実際に行くということだ。し置である。

かし、いくらなんでもそれは無理なので、自分たちで作ることはできないかと、オーロラについての情報を、本やインターネットで調べてみた。調べていくうちに、科学技術館のオーロラ発生装置のサイトを見つけた。そのサイトを見てみると、高度な技術や機械がなくても、オーロラ発生装置が作れそうだった。
2. オーロラ発生装置のしくみ
オーロラは、高さ 100 km 以上の南極や北図1

科学技術館のオーロラ発生装置

極の上空の大気（酸素原子や窒素分子等）に電子等の粒子が衝突して起きる発光現象であ3.1 真空ガラス容器（図 2）る。科学技術館の装置（図 1）は宇宙規模で最初は本当に真空状態を保てるのかわから起きるオーロラ現象を、約 1 億分の 1 に縮小なかったので、まず使えるかどうかをペットしたミニモデルで、宇宙規模で見たオーロラボトルを使ってテストした。使えることがわの発生現象を観察することができる。真空ポ

かったところで、真空度を上げるために真空ンプで空気を抜いたガラスケースの中に、約ポンプとの接続部分、水銀マノメーターとの1 億分の 1 の地球（直径 12 cm の磁石の球）接続部分を掃除し、真空グリースを塗った。

を入れてあり、高電圧をかけた電極から電子容器内の圧力は水銀マノメーターで読み取る

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が、真空ポンプを 10 分以上回しても、オーロ ラ が 発 生 す る 気 圧 の 1000 倍 も 大 き い

3.3 電源装置（図 4）

1.2hPa 程度をさすだけで、結局使えなかった。

真空管用電源装置という名前がつけられて私たちの実験は、圧力を確認する方法はなかいる。高圧電流がしっかり流れるか確かめるった。

ために、テスターを使ってテストした。ダイヤル部分を何度も回して刺激を与えないと、反応がにぶいという個性的な装置だ。メーターの表示を信用すると、650 V 程度まで出せる器械であった。

図2

真空ガラス容器

3.2 真空ポンプ（図 3）
はじめに、古い真空ポンプを分解し、オイ

図4

真空管用電源装置

3.4 リング状ネオジウム磁石
リング状のオーロラを作るため、磁石を用ルを入れ替えたり、ホースを新調した。実験意（新規購入）したが、実験の途中でキュリに支障はなく動きだしたが、途中で物理の予ーポイント（310 ℃）を超えてしまい、磁力算で、新しい真空ポンプが購入されたので、を失ってしまった。真空ガラス容器の中が、お借りした。カタログによると、このポンプとても高温になっていることがわかった。結は、2 Pa まで圧力を下げる能力があるそうだ。 局、途中から磁石を使うことなく実験を行っ
今回の実験で使用した備品なかでは、唯一のた。
新品であり、今年度の理科の備品予算は、これだけという噂だった。

3.5 電極真空ガラス容器を改造することは難しいので、できるだけそのままの形で利用することにした。その結果、マイナス極は三本の足を含めた装置の下の部分全体、プラス極は上端につける栓の穴の部分となった。
マイナス極は、カーテン状のオーロラに近づけるため、アルミのアングルを組み合わせて角柱を作り、装置の下部に取り付けた。プ

図3

真空ポンプ

ラス極はゴム栓に穴をあけて、直径 5 mm の天文教育 2012 年 1 月号（Vol.24 No.1）

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銅製の棒を差し込んだ。最初は電子がシャワしたが、まったくオーロラは見えなかった。

ー状に飛び出すように、銅の棒に剣山をとり私たちは、真空ガラス容器の密閉性、電圧不つけた。

足の 2 点を疑った。前者は実験中、ずっとポンプを動かすこと、真空グリースを丁寧に塗3.6 分光器（図 5）ることで対応した。後者は電極を近づけるここれも古いものである。顧問の先生がハレとで対応した。20 cm どころか、1 cm 程度まー彗星のスペクトルを撮影するために製作しで近づけてみた。そして、ついに図 6 のようたものだそうだ（25 年前?）。当時はフィルムなオーロラを再現させることに成功した。こを使うカメラを付けていたそうだが、今回はのとき、電源装置のメーターは 375 V を示しデジカメになっている。望遠鏡の架台にとりた。つまり、37500 V/m という高電位差となつけて使用する。望遠レンズを使い、オーロって、初めて発光したわけだ。薄紫の光の中ラだけの光を効率よく分光することができる。 に包まれて、電極の近くに、緑、赤の光がパ得られたデータはデジタル画像なので、簡単チパチとついたり消えたりする様子が見えた。に画像処理ソフトで解析することができる。

この「手作りオーロラ」は文化祭で実演し、大好評を得た。

図5

分光器
図64.実験方法

発生したオーロラ

オーロラを発生させるための実験方法は以装置が似ていて、光の色が似ていたとして下のとおりである。
（1）真空グリースを接続箇所に丁寧に塗る。

も、オーロラと同じ発光かどうかは、酸素原→実験のたびに行わないと、古い器械な子、窒素分子などの光が出ていることを確かので空気漏れがある。

めなくては確定しない。そこで、図 7 のよう（2）真空ポンプを真空ガラス容器につなぎ、に実験装置を配置して分光測定を行った。

数分間動かす。
→ポンプの能力を最大限まで活用し、実験中も動かし続ける。
（3）電源を入れ、最高電圧（650 V）にセットする。
→すぐにオーロラが現れるのではなく、数分かかる。
科学技術館の装置のように、最初はマイナ
ス極とプラス極を 20 cm くらい離して実験を

図7

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分光測定

手作りオーロラのスペクトル

オーロラの分光測定は、まず蛍光灯を使ってカメラレンズと分光器の対物レンズのピン5. 研究結果
理科年表によると、オーロラに現れる輝線トを合わせ、蛍光灯の光を撮影し、続けてオは、次のとおりである。

ーロラを撮影した。蛍光灯には水銀の輝線が・酸素原子あり、これを基準に波長を測定することができる。この分光器では図 8 のように、波長と画像上の距離（ピクセル単位）に直線的な関係がある。測定には、国立天文台で公開・配―81―

557.7 nm（緑）、630.0~636.3 nm（赤）・窒素分子646.9~687.5 nm（赤）・窒素分子イオン

布している「マカリィ」という天体画像処理

391.4 nm、427.8 nm（青）ソフトを使用した。

私たちが再現したオーロラの分光測定結果
は、図 9 のとおりである。蛍光灯のスペクトルも波長を合わせて示したので、違いがよくわかると思う。
「手作りオーロラ」には、酸素原子、窒素分子、窒素分子イオンとも、すべて現れている。酸素の輝線が弱いのは、この輝線が250km くらいの高層で現れるため、つまり、もっと真空度が上がらなければダメだと言うことだろう。

図8波長（nm）と距離（ピクセル）の関係

図9

オーロラ分光の結果

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しかし、興味深いことは、窒素分子、窒素分性能の良い真空ガラス容器を使って実験し子イオンの輝線近くに、飛び飛びに規則正したかった。真空度が低いために電極の間隔をく現れる輝線の群れがあることだ。これは、縮めなくては、オーロラを発生させることが図 10 に示した Morrill という研究者が 1996できなかった。真空度が上がり、もっと電極年に発表した論文に N2 のバンドスペクトルを離した状態で実験ができれば、今回の結果というものに一致している。この図の 80 kmに加えてもっと多くの情報を集められたと思と 130 km のバンドの出方を見ると、130 kmう。酸素の緑色光を再現してみたかった。の方にスペクトルが近いことが分かる。電子他の惑星で起こるオーロラを再現してみたの速度が自然のオーロラと同じならば、理科い。理科年表には、さまざまな惑星で現れる

年表によると、130 km の大気圧は、0.00012オーロラが載っている。今回は地球の大気のPa である。真空ポンプの能力は、2 Pa 程度成分でオーロラを発生させたが、木星でもオであり、これは 70 km 程度の高層大気の気圧ーロラは発生するそうなので、ぜひ木星と同である。したがって、高電位差にしたことかじ環境を真空ガラスポンプの中に再現してみら、130 km の高さに相当するオーロラが現たいと思った。

れたのだと考えている。この装置は、低空に現れる窒素オーロラの研究に、ちょうどよい

文献実験装置になるかも知れない。また、その他[1] 理科年表,丸善,2011.の未知の輝線は、現在調査中である。
蛍光灯の光の中には、オーロラ実験で見ら[2] 名 古 屋 大 学 太 陽 地 球 環 境 研 究 所 (2003),『オーロラってなんだ!?』.

れた酸素と同じ位置に、極めて弱い輝線が見[3] Morrill and Benesch(1996),“Auroral N2られる。蛍光灯にも、わずかな酸素の発光がemissions

effectcollisionalあるようだ。

processes on N2 triplet statevibration

図 10populations”, JGR 101.

Morrill による N2 バンドスペクトル

andthe地球科学部
鈴木文二.

6.今後の発展と展開
今回の実験は簡単に言えば、空気が薄い状態にして真空放電を見ているということに過ぎないかも知れない。しかし、オーロラとは実際そういう現象である。

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1,2 年生部員