宇宙の「通り道」が
朝側の空に
オーロラを刻む

夜空の緑の光が、雲のような斑点をつくりながら数秒から数十秒の周期で明滅する。脈動オーロラの一種である「斑状脈動オーロラ」が、なぜ夜半前より朝側に多いのか。その手掛かりは、地上から見える光ではなく、数万キロ上空で電磁波を運ぶ目に見えない管状構造にあった。

総合研究大学院大学先端学術院極域科学コース博士後期課程3年で国立極地研究所特任研究員の伊藤ゆり氏を中心とする共同研究チームは、2017年から2024年にまたがる7観測シーズンについて、北欧の全天カメラとジオスペース探査衛星「あらせ」（ERG）の同時観測を解析した。条件を満たした60事例、合計約30時間を、オーロラの形と衛星が捉えた電磁波の性質から分類した。

結論は単純な因果の断定ではない。周囲と電子密度が異なる「プラズマダクト」に沿ってコーラス波が高緯度まで伝わったとみられる時間帯では、斑状脈動オーロラが強く対応した。そうした伝搬は磁気地方時の真夜中から朝側へ増え、午前7時付近で出現率が最大になった。研究成果は7月2日、米国地球物理学連合の学術誌「Journal of Geophysical Research: Space Physics」に掲載された。

「朝」とは、日の出ではない

発表の「朝に多い」という表現で、日の出後の明るい空を想像してはいけない。ここでいう朝は、地球の磁場に対する位置を時刻で表す「磁気地方時」の朝側、すなわち磁気的な真夜中を過ぎて明け方へ向かう領域を指す。観測自体は、北欧で全天カメラがオーロラを判別できる暗い季節と夜間に行われた。

研究チームは、高磁気緯度でコーラス波を捉えた「ケース1」の出現率が真夜中から朝側へ上昇し、磁気地方時7時付近で約0.70に達したと報告した。高緯度コーラス波を捉えなかった「ケース2」は1時付近で約0.34となった後、朝側に向けて低下した。

この違いは、オーロラが太陽光を好むという意味ではない。地球の夜側から朝側へ回る磁気圏の中で、波を導く密度構造が形成されやすい時間と場所に偏りがあることを示唆する。

コーラス波を運ぶ、宇宙の光ファイバー

脈動オーロラの点滅を生む起点は、磁気赤道付近で発生する自然の電磁波「コーラス波」である。観測データを音に変換すると鳥のさえずりのように聞こえるため、日本語では「宇宙のさえずり」と紹介されることがある。

コーラス波は通常、磁気赤道から高緯度へ進むうちに、地球の磁力線に対して斜め向きになり、減衰しやすい。ところが、周囲より電子密度が高い、または低い管状の領域があると、屈折率の差が波を内側に閉じ込める。光ファイバーや導波路に似たこの構造がプラズマダクトである。

ダクトの中を磁力線にほぼ平行に進んだコーラス波は、より高い磁気緯度まで届く。その間に高エネルギー電子と共鳴し、一部の電子の進行方向を変えて大気へ落とす。電子が高度約90〜100キロの酸素や窒素と衝突すると発光が起き、地上からオーロラとして見える。

高緯度まで進んだ波ほど、より高いエネルギーの電子と相互作用できる。管の断面に対応する磁力線群から電子が降り込めば、地上では数十キロ規模の斑点として投影される――これが2024年の単一事例研究で提案され、今回の統計解析が一般性を試した物理像である。

地上の光と、宇宙の電磁波を同時に見る

地上観測には、トロムソ、スキボトン、キルピスヤルビ、ソダンキュラ、キルナ、チャウトヤスの6地点に置かれた単色全天カメラを使った。カメラは、酸素原子が発する波長557.7ナノメートルの緑色光を1秒間隔で記録する。

宇宙側では、宇宙航空研究開発機構（JAXA）のジオスペース探査衛星「あらせ」が、プラズマ波動・電場観測器（PWE）と磁場観測器（MGF）でコーラス波、プラズマの密度に関係する周波数、磁場を測った。研究チームは衛星につながる磁力線を高度100キロへ投影し、その足元が全天カメラの視野に入り、衛星が磁気緯度10度より高い位置にある時間を抽出した。

さらに、雲や夏の白夜で像を判別できない時間、オーロラの種類を分類できない時間を外した。残った60事例を、ぼんやり広がる拡散オーロラ、明確な斑点をつくらない脈動オーロラ、斑状脈動オーロラなどに分け、同じ時間のコーラス波が電磁波として磁力線に沿って進んだか、斜めに進んだ可能性が高いか、そもそも高緯度で検出されなかったかを比べた。

観測装置には制約もあった。「あらせ」のPWEで磁場成分を測るセンサーの一つが劣化し、2018年10月以降は波の進行角を直接求められなかった。研究チームは電場と磁場の強度比、詳細なバースト波形などを併用して伝搬特性を分類した。この代替判定を含むことは、結果を読む上で重要である。

三つの分類で、光の形が分かれた

一つの時刻に複数種類のオーロラが同じ視野内で共存するため、割合の合計は100%を超えることがある。ケース1全体では約21時間のうち80%の時間に斑状オーロラが見られたが、ダクト伝搬の特徴が最も明瞭なケース1aに絞ると93%へ上がった。

逆に、波が斜めに進んだとみられるケース1bと、高緯度コーラス波がなかったケース2では、拡散型または非斑状型が優勢だった。光の形と、はるか上空の波の進み方が統計的に分かれた点が、研究の核心である。

統計が示したこと、まだ示していないこと

今回の結果は、ダクトを通ったコーラス波が斑状脈動オーロラをつくるというモデルを、単一の印象的な現象ではなく複数年の同時観測で支持した。一方、すべての斑状脈動オーロラがダクトによって生じることを証明したわけではない。60事例は、衛星と地上カメラの位置が合い、空が晴れ、光の種類を判別できた時間の標本である。

また、ケース1bで磁場成分が見えなかった理由の一部は、波が本当に静電的だったためではなく、信号が装置の雑音水準に近かったためかもしれない。衛星は一本の軌道上を移動するため、広いダクトの三次元形状や時間変化を一度に測ることもできない。

4事例から磁気赤道面で推定したダクトの横幅は数百〜約2,000キロだった。地上の斑点は磁力線に沿って縮小投影され、数十キロ規模になる。ただし、これは磁場モデルを使った対応付けによる推定であり、宇宙空間の管を画像として見た大きさではない。

大気への影響は「可能性」であり、今回の測定対象ではない

高緯度まで届いたコーラス波は、数百キロ電子ボルトから数メガ電子ボルトの電子を大気へ降らせ得る。高いエネルギーの電子ほど深く入り、中間圏や成層圏上部の化学反応を変え、オゾン量に影響する可能性が先行研究で指摘されている。

ただし、今回の研究はオゾン減少を測っていない。大気化学への言及は、ダクト伝搬で高エネルギー電子が降り込むことの科学的な意味を説明する背景であり、60事例から環境影響を定量化した結果ではない。

同じ慎重さが宇宙天気への期待にも必要だ。ダクトがいつ、どこで形成されるかを予測できれば、放射線帯電子の変化を理解しやすくなる可能性はある。しかし、今回の統計だけで衛星障害の予報精度が上がったわけではない。

残る謎は、ダクトがどう生まれるか

研究は、ダクト伝搬と朝側の斑状脈動オーロラの結びつきを示したが、密度の管が形成され、維持され、消える過程までは解いていない。磁気圏の超低周波変動や電離圏の密度構造との関係など、候補となる現象を複数点で同時に測る必要がある。

研究チームは、北欧に整備される次世代大型大気レーダー「EISCAT_3D」の三次元観測と衛星観測を組み合わせる方針を示す。金沢大学の発表は、開発中の超小型衛星「IMPACT」による観測にも触れた。地上レーダーが電離圏を立体的に測り、複数の宇宙機が異なる位置で密度と波を捉えれば、一本の衛星では見えないダクトの発生場所と動きを追える。

夜空で見えるのは、連鎖の最後にある光だけだ。その前に、磁気赤道の波、宇宙空間の密度差、高エネルギー電子、上層大気がつながっている。7観測シーズンの成果は、その見えない連鎖に時刻と形の統計を与えた。次の課題は、宇宙の「通り道」が開く瞬間を捉えることにある。