『オーロラ発生の研究』

茨城県立水戸第二高等学校
物理科

鈴木秀を再現させることにしました。
模 擬 地 球 に 正 極 を つ な ぐ た め ，右 図のよう
１．はじめにに 、排 気 盤 の 下 に ア ル ミ ホ イ ル を 敷 き 、そ こ

模 擬 地 球 に 正 極 を つ な（１）実験１
ぐ た め ，右 図 の よ う「The 高専＠ SEMICON」は今年度で６回目の出展になります。日立ハイテクノロジーズ様の過大なるご支援によか ら 電 極 を と り ま し た 。剣 山 か ら 模 擬模擬地球に正極をつなぐ
地球に模、排擬 地気球盤にの正下
極にをアつルなミぐた
う こにホめイ，右ル を図敷のきよ、そり、今年もこんなに大きな会場でポスター発表をすることため，右図のように、排気ができました。本当にありがとうございました。

盤の下にアルミホイルを敷

放 電 は 起 こ っにたのすがと、
風ホ
でイは、、そ、排気極盤をの下に太ア陽ルミルなをく
敷からで電りました。剣山
からき
模擬 地こ球にす ず き

す ず き

らて
電は極起をとり電まとした
山
擬で
地は球な
にく 、
雷 の よ う な 極かめ
細いこ放な。剣っがてしまいき、そこから電極をとりま
茨城の県立高校は本来共学なのですが、本校は女子のみ放電ったのです、か太ら
陽模風が在籍している実質的な女子高です。一般的に理数系が苦放雷
電のはよ起うこなっ極ためので太なし
くま、いてす細がい、放した。剣山から模擬地球に電陽と風なでっはてました。

放と電なはっ起こ
手とされる女子高でありながら、文部科学省からスーパー雷のような極めて細い放電てっした
まのいで す が、ました。
ま し次たに。剣 山 の 代 わ り に 電 球 の フ ィ ラ メ ン ト に 変 え て 実 験 し ま し た 。 フ ィ ラ メ

次 に 剣 山 の 代 わ り に 電 球 の フ ィ ラ太陽風ではなく、雷のような極めて細い放電となってしまメントに変えて実験しました。フィラメ
サイエンスハイスクール

いました。
（SSH）の指定を受けておン ト に し た 理 由 は 、プ ラ ズ マ ボ ー ル（
真空放電でプラズマを発生させる玩具）

次 に 剣 山 の 代 わ り に 電 球 の次に剣山の代わりに電球のフィラメントに変えて実験しフィラメントに変えて実験しました。フィラメン
ト に し た 理 由 は 、プ ラ ズ マボ ー ル（ 真 空 放 電 で プ ラ ズ マ を 発 生 さ せ る 玩 具 ）り、今年で９年目を迎え

仕の組発みべト、にフメはン、プトが使マ
わボれい真る空こがプ
わラかか生
らさでし）
しィたラ
理由
ラズーてル（放と電でズっマたを発せする。
玩具ました。フィラメントにした理由は、プラズマボール（真て い ま す。 の今回
表を 調 ンの仕組みを調べ、フィラメントが使われていることがわかったからです。しフィ（オーロラ発生の研究）
も、をわ調べィん
ラでメ空放電でプラズマを発生させる玩具）の仕組みを調べ、ン使われていることがわかったからです。
しかし、結果 はのあ仕
ま組りみ変り、まフせしトたが。

かし、結果はあまり変わりませんでした。
かし、し結た果。
はあまりミ
変ホわイりラメントが使われていることがわかったからです。しかし、までさした。
原
因
は
真空
度で
アル
ルせがん
あさるんたでめ
う、
しどてうも
原
因
は
真
空
度でした。
アル
ミはホ イん
ルでがはあ、るどためしそてこもそこ結果はあまり変わりませんでした。
究を続けているひとつで原因は真空度でした。アルミホイルがはさんであるため、どうしてもそこす。
らし
空ま気がし度
まがい、真がか上っがらた。のです。
か ら 空 気 が 入 っかてい入、っ真て空
上原因は真空度でした。アルミホイルがはさんであるため、が空ら度なたなのかでっす
か ら 空 気 が 入 っ て し ま い 、どうしてもそこから空気が入ってしまい、真空度が上がら真空度が上がらなかったのです。
その SSH 活動のとして研２．オーロラについて(2)

実験２なかったのです。

(2) 実 験 ２ (2) 実 験 ２
オーロラとは太陽風と地球磁場、大気の分子の相互作用

ア ル ミ ホ イ ル が 真 空 度 の 妨 げ に な る の で ，右で、太陽風の荷電粒子が熱圏の分子に衝突し励起されて起
ア ル ミ ホ イ ル が 真 空 度 の（２）実験２
妨 げ に な る の で ，右ア ル ミ ホ イ ル が 真 空 度 の 妨 げ に な る の で ，右こる発光現象です。高緯度

アルミホイルが真空度の図のように大胆にもアルミホイルを外して実のように大胆にもアルミホイルを外して実の よ う に 大図
胆にもアルミホイルを外して実妨げになるので，右図のよ地域の100km図以上の高さに験 を 試 み ま し た 。誘 導 コ イル は 直 流（ 脈 流 ）で験なを 試 み ま し た 。誘 導 コ イ ルは 直 流（ 脈 流 ）でめ る と 、右
図 の よ う に 北 極 、南 極 上 に リ ン グ 状 にうに大胆にもアルミホイル現れ、カーテンタイプ・コ

験 を 試 み ま し たす。誘コはイ流
ルれは脈り流ま）での で導電流る直は流（ずはあせ ん 。し か しロナタイプなど様々な形がす の で 電 流 は 流 れ る は ず はを外して実験を試みました。
あ り ま せ ん 。し か し眺めると、右図のように北た 。こ れ に つ い て は あ と で
述 べ ま す が 、原 因 はですので電流は流れるはず

極、南極上にリング状になっ不明です。っています。

のる
予想と反流まが 流誘れ、放電かがはお こ流（りましす の で 電 流 はそ
流そのれ
はしあ電ん放。
し導コ
イ
ル
あり、オーロラを宇宙から
予 想はとず
反し
電流りが 流せ
れ、電がおし
こ直り ま し脈 流 ）

そ
予とし。こ
電流流い
れて、は放あ電こま
りすままし
れがにつとがでお述べがし、原 因 は右図のよたう。に 北 極 、南 極 上にのリン
グ想状にな反 たす。

はありません。しかしその予想と反し電流が流れ、放電が不明。と で 述 べ ま す が 、原 因 はた 。こ れ に つ いてではすあおこりました。これについてはあとで述べますが、原因はています。
生徒たちは、このオーロ不明です。
ラを実験室で作って見るこ、真が高保
くた
保れたた
れまたままでま実で験実が験でがきでまき ま
ここのの実実験験でではは、真空空度度が 不明です。
高くトほのうほがう放が電放は
電広はが広りがまりしまたし。た 。
ししたた。。
剣剣
山山
よよりり
フフ
ィィ
ララ
メメ
ンン
トこの実験では、真空度が高く保たれのこ の 実 験 で はし、真空度が高く保たれたままで実験ができまか し 、写 真 の よ う に 、リ ン グ 状 の オ ー ロ ラ は 見 ら れ ま せ ん

せ る こ ととはできないかという好奇にしました。

し か し 、写 真 の よ う に 、リ たままで実験ができました。剣山よりング状のオーロラは見られません

心から研究が始まりました。
し た 。 剣 山 よでり
フラりメりン
ほにうフィラメントのほうが放電は広がりまは球広ががました。
でした。降
注
ぐ
電比べ放て電模地
擬地
球がり大す
きぎする
ぎる
したィ。降
注
ぐト電の子子に比べがて模擬大きこ
とこがと がした。しかし、写真のように、リング因だとした。オーロラは見られません
よう、リンまグ
原原因だとに思思わわれれました状。の-1- 真の３．実験 し か し 、写状のオーロラは見られませんでした。

で し た 。降 り 注 ぐ 電 子 に 比 べ て 模 擬降り注ぐ電子に比べて模擬地球が大き地球が大きすぎることが高校の物理実験室にある排気盤内に剣山（とがっている(3)験験
３３(3) 実実
ほうが放電しやすいと考えた）と模擬地球（アルミ製のボーにしました。

原因だと思われました。

すぎることが原因だと思われました。

ルにネオジウム磁石が付けてある）を置き，上から真空放実実験験
２２のの結結果果をを受受けけてて模模擬地
結た
果結、果実、
験実
室験 室
擬球
地の球改の良改を
良試をみ試まみしまたし。た調。べ調たべ
電によって放出される電子を太陽風と見立てて、オーロラ内でのオーロラの発生は、半球を使って真上から放電させることが多かった
28

(3)

-1-

実験３

内でのオーロラの発生は、半球を使って真上から放電させることが多かったので、彼女たちもそれに習い半球で実験をしてきました。しかし実際のオーSEAJ Journal 2015. 1 No. の148で 、 彼 女 た ち も そ れ に 習 い 半 球 で 実 験 を し て き ま し た 。 し か し 実 際 の オ ー

実 験 ２ の 結ロ
果ロラをて模左擬の改の良横ましがた。
べた結果、そ実験
は受、け下下
図図
左のよ地
う球にの地地球から太降り
注。すそ。
こで、実室
験実 験
ラは、ように球のを横試
かみら陽太風陽風が降調りぎ注まぎすま
こで、機 の 模 擬 地 球 を 作 り 直 す 際 、た だ 小 さ く す る の で は な く 向 き も 90°変 え ま し高専／高校セミコン（３）実験３

しませんでした。酸素で実験してみても色は変化しません

４．これからの課題

真上から放電させることが多かったので、彼女たちもそれに習い半球で実験をしてきました。しかし実際のオーロラ２つの疑問が残りました。ひとつは前述したオーロラのは、下図左のように地球の横から太陽風が降り注ぎます。

色です。気体の種類に関係なく同じ色になってしまう原因

そこで、実験機の模擬地球を作り直す際、ただ小さくするは何なのでしょう？

関係なく同じ色になってしまう原因は何なのでしょう？のではなく向きも90°変えました。金属の茶こし２つを張りもうひとつは、実験２以降の回路で、正極がつながっても う ひ と つ は 、実 験 ２ 以 降 の 回 路 で 、正 極 が つ な が っ て い な い の に も か か わ ら合わせて球状にし、左右に北極、南極に見立てた磁石を入れ、い な い の に も か か わ ら ず、横向きにしました。図の赤青になっているのが棒磁石で、なぜ放電がおこるのかとい磁力を強めるためにネオジウム磁石が両極に張り付けてあうことです。右図のようにります。これが北極と南極です。もちろん、誘導コイルのアルミホイルを敷き正極を正極には何もつないでいません。

つなげば、回路が閉じていず、なぜ放電がおこるのかということです。右図のようにアルミホイルを敷き正極をつなげば、回路 が 閉 じ て い ま す の で 放 電 は お こ り ま す 。し か し 、生徒たちはこのアルミホイルを取ってしまいました。フィラメントから放出された電子は、どのよますので放電はおこります。

うな経路で誘導コイルの正極に戻るのでしょう？

しかし、生徒たちはこのア

ど ち ら の 疑 問 も 、こ れ か ら の 研 究 テ ー マ で す 。な に か お わ か り に な る こ と が あルミホイルを取ってしまいました。フィラメントから放出
関係なく同じ色になってしまう原因は何なのでしょう？

りましたら，水戸二高までご一報いただきますようお願い申し上げます。

も う ひ と つ は 、実 験 ２ 以 降 の 回 路 で 、正 極 が つ な が っ て い な い の に も か か わ らされた電子は、どのような経路で誘導コイルの正極に戻る

４

おわりにず、なぜ放電がおこるのかということです。右図のでしょう？

関係なく同じ色になってしまう原因は何なのでしょう？

どちらの疑問も、これからの研究テーマです。なにかお
もうひと つ は 、実 験 ２ 以 降 の 回 路 で 、正 極 が つ な が っ て い な い の に も か か わ らのようにアルミホイルを敷き正極をつなげば、回最後になりましたが準い
備まかすらのSEMICON
催り
期ま間すを。し通じて、、㈱ 日 立 ハ イ テ路、事が 閉前
じてで 放 電 は開おこかしず 、 わかりになることがありましたら，水戸二高までご一報いなぜ放電がおこるのかということです。右図

生、
徒南た様
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このル様をに取はったてしク ノ ロ ジ ー ズ の 酒の井様
じアめルとミ
しホたイ皆
いまへいんまおし世 話 に な り ま しようにアルミホイルを敷き正極をつなげば、回ただきますようお願い申し上げます。

模擬地球をかなり小さく（アルミボールの時の1/4程度）たじ。てフィン
ト電か
放れ
た電は、どた 。ま た 、東 京 エ路レ
トロ
株で）顧
問
井様す、同Ｆ子
Ｅ
滝の田よ様 に は 、今 回 のがク
閉いン（まラすメの放はら
お石こ出りさま。しかし、社したので、以前よりは模擬地球全体に放電が降り注ぐようになりました。しかし、納得のいくような放電ではなく、 た 。 ５．おわりにフィンのト疑か問ら放されは研、究どテのよ
どラちメらも出、これたか電ら子のー マ で す 。な に か お わ か り に な る こ と が あ
うちなはき
経こ路
コこ
イのルをの取を正極るので御し礼ょ申
うし？上げます。
徒たたので
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ル
ミイ
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っ借てにし戻まし
発 表 を 後 押 し し て生いだました導。ホ場
りてい
厚まく極のリングも見られませんでした。

うな経誘た導らコ，
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戻でるごの一でし
最後になりましたが、事前準備からSEMICON
開催期間り路までし水の戸正
二極高にま報ょいうた？だ き ますようお願い申し上げます。

を通じて、㈱日立ハイテクノロジーズの酒井様、南様をはど ち ら の 疑 問 も 、こ れ か ら の 研 究 テ ー マ で す 。な に か お わ か り に な る こ と が あえたからです。

た。

でした。酸素の場合は赤になるはずでした。

実験２の結果を受けて模擬地球の改良を試みました。調
べた結果、実験室内でのオーロラの発生は、半球を使ってりましたら，水戸二高までご一報いただきますようお願い申し上げます。

（４）実験４４ おわりにじめとした皆様にはたいへんお世話になりました。また、ここで、フィラメントえたからです。

４を直線状であったものを

い と前見で 、 暗開幕催をてて説、㈱ 日 立 ハ イ テ
最 後 に な←り暗まく
ししたなが 、事準え
備なかいらのSEMICON
期か間ぶをっ通じ東京エレクトロン㈱顧問
石井様、同 FE 社 滝田様には、今おわりに明する生徒。（来往者にも暗幕をかぶってもらいま

クにノなロの、事酒 井前様は じ め開と催し期たは、㈱
た い日へ
最後りジ
まーしズ
たが準、備南か様らをSEMICON
間皆を様通にじて立ん
ハおイ世
テ 話になりまし回の発表を後押ししていただきました。この場を借りて厚たジ。ま京エ南協レ様ク株う）顧問
石た井い様へた、同社な滝様 に は 、今 回 のし、東た井。
力ありン（ご様ざまし）Ｅ
クノロー ズたの酒
様ご、をトはロ
じめがととした
皆にいはん。
おＦ世話にり田まし

円形状にしてみて実験をく御礼申し上げます。

た 。ま た 、東 京 エ レ ク ト ロ ン（ 株 ）顧 問 石 井 様 、同 Ｆ Ｅ 社 滝 田 様 に は 、今 回 のしました。円形にすればた。

発表を後押ししていただきました。この場を借りて厚く御礼申し上げます。

←暗くしないと見えないので、え た降かりら注でぐす面。
積 も 広 が り、暗 幕 を か ぶ っ て 説 明 す る 生 徒。

うまくいくのではないか（来往者にも暗幕をかぶってもらと考えたからです。

た。

←暗くしないと見えないので、暗幕をかぶって説結果は写真のとおりです。北極、南極の両極にリング状のオーロラが見られました。

← 暗 く しいました。ご協力ありがとうごないと見えないので、暗幕をかぶって説明する生徒。（来往者にも暗幕をかぶってもらいまざいました。）

明する生徒。（来往者にも暗幕をかぶってもらいま。りごが協と力としうたご。ざ）い ま し た 。 ）し た 。 ごし協た力あうあ
ごりざが
いま

また、フィラメントは白熱電球を割って中のフィラメントを取り出して作っていたのですが、どうしても小さくて細いので、もろくて扱いづらいものでした。そこで自分でコイルを巻き、フィラメントを手作りして実験してみました。しかし、結果は変わりませんでした。
（５）実験５
次にオーロラの色を付けようと、排気盤に窒素等の単体気体を入れてから真空ポンプで引きました。排気盤内の残-4--3-

留気体は窒素のはずです。窒素ならば青いオーロラが見られるはずです。しかし、この方法ではオーロラの色は変化-4--3-SEAJ Journal- 42015.
1 No. 148-29