宇宙の電磁波の「さえずり」がオーロラの「またたき」を制御

ad
ad

北極域での高速オーロラ観測と科学衛星「あらせ」による国際協調観測

2020-03-05     電気通信大学,名古屋大学,金沢大学,国立極地研究所,東北大学,宇宙航空研究開発機構

細川敬祐教授(電気通信大学)を中心とする国際共同研究グループは、科学研究費基盤研究S「極限時間分解能観測によるオーロラ最高速変動現象の解明(代表 藤井良一)」によって北極域(北欧、アラスカ)に設置された高速オーロラ撮像装置と、宇宙航空研究開発機構(JAXA)の科学衛星「あらせ」による協調観測を実施し、宇宙空間で発生するコーラス波動の秒以下で起こる変化(宇宙の電磁波の「さえずり」)に呼応して、地上から観測されたオーロラの秒以下の脈動が変動すること(オーロラの「またたき」)を初めて示しました。

地球周辺の宇宙空間(ジオスペース※1)にある高エネルギー電子は、人工衛星の障害を引き起こすなど人間の宇宙空間での活動に影響を及ぼします。また、最近の研究によって、これらの高エネルギー電子は地球大気の奥深くまで進入し、オゾン層を部分的に破壊する可能性があることも分かってきています。このように、ジオスペースの高エネルギー電子の振る舞いを知ることや予測することは、私たちの生活とも密接に関係しています。このジオスペースの高エネルギー電子の増加には、宇宙空間で発生する自然電波の一種であるコーラス波動※2が関係していると考えられています。

本研究成果は、様々なヴァリエーションを持つオーロラの形態が宇宙空間の電磁波の変動によって制御されていることを強く示唆しています。この関係を用いることで、地上からのオーロラ観測によって宇宙空間のコーラス波動の変化を推測することができます。観測衛星の数が制限されていることから宇宙空間での電磁波観測点は極めて少なく、観測によってコーラス波動の分布を直接知ることは難しいのが現状です。しかし、本研究成果により、地上からのオーロラ観測によって宇宙空間のコーラス波動の二次元分布を推測することが可能となります。本研究を応用して、地上からのオーロラ観測から高エネルギー電子の増減を予測することで、安全かつ安定した宇宙活動に貢献することが期待できます。

ポイント
  • これまでは、観測の時間分解能※3が不足しているために、オーロラの秒以下の「またたき」を制御している要因がコーラス波動の「さえずり」であることを実証することができなかった。
  • 北欧とアラスカに設置された高速オーロラカメラと科学衛星「あらせ」による国際協調観測により、オーロラの「またたき」がコーラス波動の「さえずり」に対して、秒以下の時間スケールで完全に呼応していることが実証された。
  • この成果は、オーロラが持つ多様な形態を説明する糸口になるだけでなく、人工衛星の障害を引き起こすヴァンアレン帯※4の電子の形成過程の解明にもつながる。

この研究成果は、2020年2月25日(英国時間10時、日本時間19時)に、Nature系の学術論文誌「Scientific Reports」のオンライン版に掲載されました。

研究概要
背景

極地方の夜空を彩るオーロラは、高さ100km付近に存在している酸素や窒素などの大気が発光する現象です。オーロラが光っている場所には、地球の近くの宇宙空間(ジオスペース)から、地球の磁気(地磁気)に導かれて高いエネルギーを持った電子が注ぎ込まれています。注ぎ込まれた電子が地球の大気にぶつかることで大気にエネルギーを与え、そのエネルギーが光として私たちの目に見える現象がオーロラです。オーロラは、形が明瞭なディスクリートオーロラと形があいまいなディフューズオーロラに大別されます。ディフューズオーロラは、ジオスペースに存在する電波である「コーラス波動」の働き(波動粒子相互作用※5)によって、ジオスペースの電子が地球へと注ぎ込まれることで発生していると考えられています(図1左)。コーラス波動は人間の可聴域の周波数帯に存在する自然電磁波であり、電波を音波に変換すると、鳥のさえずりのように聞こえるため「コーラス(合唱)」と呼ばれています。

ディフューズオーロラを高速オーロラカメラで撮影すると、そのほとんどが、数秒から数十秒の間隔で明るくなったり暗くなったりしていることが知られています。その明滅の様子が、脈を打つ心臓のように見えるため「脈動オーロラ※6」とも呼ばれています。JAXAによって打ち上げられた科学衛星「あらせ」と地上からの光学観測を組み合わせた最近の研究により、脈動オーロラが脈を打つペース(主脈動)が、コーラス波動が強くなったり弱くなったりするリズムによって決められていることが分かってきました(Kasahara et al., Nature)。さらに、脈動オーロラの一種である「フラッシュオーロラ」という瞬間的に発光するオーロラがコーラス波動によって作り出されていることも、科学衛星「あらせ」と地上観測の同時観測データによって明らかにされています(Ozaki et al.、Nature Communications)。

図1:(左)コーラス波動によってジオスペースの電子が叩き落とされ、磁力線に沿って地球大気へ降下し、オーロラを光らせる様子。(右)本研究によって北欧とアラスカに設置された高速オーロラカメラによる観測の模式図。

脈動オーロラの興味深い性質の一つとして、明るさの変化に「階層的周期構造」が存在することが挙げられます(図2左)。数秒から数十秒で明滅する主脈動の明るくなっている時間を高速オーロラカメラでズームインしてみると、さらに短い周期の「またたき」が埋め込まれていることが分かります。このまたたきは「内部変調」と呼ばれ、およそ1秒間に3回のペースで起こることが知られています。ゆったりとした主脈動の明滅をズームインしたときに秒以下の細かい周期性が現れる様子は、脈動オーロラが階層構造を持つことを意味しています。本研究グループは、ジオスペースで観測されるコーラス波動が類似する階層的周期構造を持つこと(図2右)に着目したモデル研究を行い(Miyoshi et al., 2015)、秒以下の「またたき」も含めた脈動オーロラの明るさの変化がコーラス波動の強度変化によって完全に制御されていることを予想しました。しかし、これまでは観測の時間分解能の限界が原因で、この予想を証明することができませんでした。特に、コーラス波動の中に、オーロラの「またたき」に呼応するような「さえずり」が存在するのかどうかを、宇宙と地上での同時観測で実証することがなされていませんでした。

タイトルとURLをコピーしました