「雲の上から、血のように赤く」神は「その下に軍服を掛けている」。フリードリヒ・シラーが「ヴァレンシュタインの陣営」で象徴的に告発したことは、実際にはしばしば戦争、たとえば1870年の独仏戦争や第二次世界大戦が先行していた。オーロラの猛烈な天体現象はいつの時代も、恐怖と魅惑を同時に広げてきました。ゲルマン神話では、それらは戦死した戦士の魂をヴァルハラへ導いたヴァルキリーの盾を反映したものと解釈されていました。そして、オウィディウスは『変身物語』の中で、シーザー殺害の前に「星の近くで松明を燃やしていた」のです。しかし、平和的な解釈もあった。コラ半島のロシア系サーミ人とイヌイットのラブラドール人は、オーロラを天と地の架け橋と見なした。また、ネイティブ アメリカンの神話では、人々はオーロラの光に満ちた土地ワババンで、頭にライトと虹のベルトを着けてボール遊びをしていました。
個々の円弧、帯、光線、ベールの形をした拡散光は、常にパズルを引き起こします。しかし、数十年にわたる理論と測定の努力を経て、物理学者たちはオーロラが存在する理由を発見しました。実際、オーロラは実際には自然界で発生するべきではありません。少なくとも、理想的なプラズマ内の電磁プロセスを記述する物理法則によれば、オーロラは地球環境に存在するはずです。プラズマは、原子核と電子がほぼ独立して運動する電離ガスです。荷電粒子は決して「その」磁力線から離れることはなく、磁力線とともに移動するだけであり、これらの線は互いに交差しません。どうやら、地球の隣の宇宙に理想的なプラズマがあると仮定するのは間違っています。
オーロラは、1621 年にフランスの物理学者ピエール ガッサンディがオーロラと命名したため、北ではオーロラとも呼ばれ、南では 1773 年にオーロラを記述したキャプテン ジェームズ クックに遡りオーロラ オーストラリスとも呼ばれます。蛍光管で知られるように、それらは蛍光によって引き起こされます。荷電粒子（主に電子ですが、陽子、ヘリウム原子核、重イオンも含む）が地球の大気の上層に衝突すると、そこにある空気分子が刺激されて発光します。オーロラのほとんどは極地で形成されます。北極圏以北ではほぼ一年中見られますが、温帯緯度では毎週か毎日しか見られません。時には北イタリアまで届くこともあります。ドイツでは毎年10～15匹ほど見かけます。
オーロラは、ガリレオ・ガリレイがまだ考えていたように、太陽の光が当たって上昇する霞ではなく、地球の磁場が磁極に向ける太陽風のエネルギー粒子によって生成されます。物理学者のクリスチャン・ビルケランドは、1896 年にオスロ大学の地下にある彼の研究室で、これがどのようにして起こり得るかを初めて実証しました。彼は磁化されたボールを空のガラス箱に吊るし、それに電子を衝突させ、2 つの磁極の周りに光る輪を形成させました。
しかし、彼のモデルが確立されるまでには長い時間がかかりました。太陽風の存在 – 私たちの中心星は毎秒約100万トンのプラズマを宇宙に吹き飛ばします – は1951年に天体物理学者ルートヴィヒ・ビアマンによって彗星の尾の研究から発見されました。そして、地球の周りの磁気圏（この用語は、1959 年にウィーンから米国に移住した物理学者トーマス ゴールドによって造られました）は、宇宙探査機によってのみ発見されました。
しかし、実際に地球の磁場によって太陽風の粒子が遮蔽されている場合、どうやって太陽風の粒子が大気中に侵入するのでしょうか?科学者たちは何十年もの間、これについて頭を悩ませていました。今回、2つの国際研究チームが、ヨーロッパのクラスター探査機からの測定データの助けを借りて、その答えを見つけました。 2000 年 7 月 16 日に打ち上げられたこれら 4 つの宇宙探査機は、定期的に地球の磁気尾部、つまり太陽風によって引き伸ばされる夜側の地球の磁場の部分を横切ります。いわゆる磁気嵐が一日に数回発生します。そして、これらの「サブストーム」は粒子を地球に投げ込み、オーロラを生成します。
科学者たちは、クラスター探査機からの測定結果を使用して、複雑なプロセスがどのように起こるかを再構築し、その過程で、イギリスの物理学者ジェームス・ダンジーが1961年にはすでに提案していたが、一般には受け入れられず、他の推測と競合した理論モデルを確認した。 – たとえば、地球の磁極に沿った粒子のみの「導入」。
決定的な要因は、太陽風によって運ばれる磁場と地球の磁場の間の相互作用であると思われます (次のページ「磁気スリングショット」の図を参照)。太陽から遠ざかる太陽風の磁場は常に地球の磁場にぶつかります。一日に数回方向を変えます。それが地球の磁場と反対の方向、つまり南向きの場合、磁力線が衝突する場所に中性点が作成されます。地球の昼側の上に位置するこの磁気ゼロ点では、磁力線が途切れ、再びつながります。このプロセスは磁気短絡の一種であり、再接続と呼ばれます。これは、後に地球の夜側に発生する部分的な磁気嵐の原因です。 「磁気ゼロ点では、対向する磁力線が直接交わります。したがって、力線によって運ばれる荷電粒子はここでは磁場を感知しません」とカトレンブルク・リンダウのマックス・プランク太陽系研究所のアクセル・コース氏は言う。 「この遭遇により、磁力線が分裂し、異なる順序で再結合します。ただし、これがどのようにして起こるのかはわかりません。」
再結合後、太陽風の磁力線と地球は一つのユニットを形成します。太陽風が地球を通過すると、力線もそれに伴って引かれます。しかし、それらの地球の部分は北極と南極にしっかりとつながったままであるため、線は太陽と地球からますます遠ざかるように曲がります。地球の夜側のはるか後方で、磁気尾部の不安定性により北と南の線がついに再び非常に接近し、ここに第 2 の中立点が作成されます。再び磁気短絡が発生します。
この 2 回目の再接続では、以前に分離されていた地球の磁力線が再接続されます。 「太陽風によって引き出された地球の磁力線は、輪ゴムのように実際の位置に戻ります」とアクセル・コースは説明します。大量のエネルギーが放出され、これが太陽風からの粒子が地球の大気中に投げ込まれ、そこでオーロラを引き起こす原因となります。
クラスター艦隊は、2001 年 9 月 15 日、世界時午前 5 時頃、地球の表面から約 10 万キロ離れた、地球の夜側の裏側にあるこの 2 番目の磁気ゼロ点を通過しました。コースと彼の同僚は、複雑な数学的分析でこれを証明しました。
「測定データから直接ゼロ点を確認することはできません。編隊を組んで通過した4つの衛星の間のどこかにいたからです」とイオン分光計の開発に携わったコース氏は言う。これらの機器は、クラスタープローブに搭載された空間内の荷電粒子のエネルギーと速度を測定します。飛行中、探査機は互いに約1000キロメートルの距離に四面体、つまり底面が三角形のピラミッドを形成した。彼らのデータから、磁気ゼロ点の約500キロメートルにわたる大きな螺旋構造を初めて計算することができた。
磁気ゼロ点でのプロセスをより深く理解することは、非常に現実的な結果をもたらす可能性もあります。それは、核融合炉の建設を前進させる可能性があります。なぜなら、再接続は彼らにとって大きな問題を引き起こすからです。磁場は、1億度以上の高温である核融合プラズマを原子炉容器の壁から遠ざけることを目的としています。再接続中に磁力線が切れると、「檻」が開き、プラズマ粒子が壁に向かって逃げます。地球の背後にある磁気ゼロ点の測定が容易に利用できるかどうかはまだ不明です。 「比率はそう簡単に移すことはできません」とコース氏は言う。 「地球の磁気圏での再接続プロセスには 100 万立方キロメートルの距離が必要ですが、核融合炉ではわずか数立方センチメートルです。」
核融合炉内の再接続は高温プラズマ粒子にとって望ましくない出口を生み出す一方、コースのグループが研究した磁気ゼロ点は粒子と太陽風からのエネルギーの入り口を開きます。そこで起こるリコネクションが実際にオーロラの粒子とエネルギー供給者であるという理論は、ジンビン・カオ率いるグループの研究結果によって確認された。北京にある国家宇宙天気主研究所の教授は、すべての磁気嵐には高速粒子流が伴い、その粒子流は再接続の「反動」磁力線によって生成され、大量の粒子とエネルギーが地球に向かって輸送されるという仮説を立てた。 「単一の衛星からのこれまでの測定結果は、この仮定に疑問を投げかけています」と曹氏は言う。 「サブストームの 20% 以上は粒子流を伴っていないようでした。」
Cao 氏の研究者らは、測定のためにクラスター フリートにもアクセスできました。 2001 年と 2002 年の 2 回の 4 か月間に、探査機は合計 67 個の磁気サブストームと 209 個の高速粒子流を記録しました。科学者らは、サブストームのうち粒子流を伴わないのはわずか 5% であることを発見しました。データの評価に 1 つの衛星のみを使用した場合、20 パーセントという古い結果が返されました。この矛盾の理由: 粒子の流れは時間と空間において制限されており、単一の衛星が同時にどこにでも存在することはできません。残念ながら、4 つの衛星のうち 1 つの関連機器が測定期間中に故障したため、測定を提供したのは 3 つの衛星のみでした。そうでなければ、5% という故障率はさらに低かったかもしれません。しかし曹氏は、「すべてのサブストームには高速粒子流が伴い、それは再結合によって引き起こされる」と確信している。
ジェームス・ダンジーが 40 年以上前に作成した、粒子とエネルギーを地球に向かって飛ばす磁力線で構成される巨大なカタパルトのイメージは、新たな成果によってさらに具体化されつつあります。また、太陽の表面における同様のプロセスを理解するのにも役立つ可能性があります。天文学者らはまた、コロナ大噴火（太陽の大爆発）の原因は巨大なリコネクション・スリングではないかと疑っている。 ■
アクセル・ティレマンスとリュディガー・ヴァース
タイトルなし
• オーロラがどこからどのようにしてエネルギーを得るか、そしてなぜ太陽風が地球の磁場を通過できるのかは、長い間不明でした。
• クラスタープローブは、エネルギー源および入口ゲートとして磁気短絡を検出するようになりました。
コミュニティ インターネット
クラスターミッションのホームページ:
sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=8
太陽風と地球の磁気圏に関する情報:
www.agu.org/sci_soc/cowley.html
www-spof.gsfc.nasa.gov/Education/wmpause.html
