なぜ私たちはこのような奇妙なオーロラを見るのでしょうか?

オーロラは通常、北の方角でしか見られませんが、2週間前は夜空がピンクと緑の光のカーテンで輝き、アメリカ南部まで見渡すことができました。テキサス州やハワイ州では、人々が車から降りてオーロラを眺め、写真を撮っていました。

この光のショーの原因は、太陽から驚異的な速度で噴き出す電荷を帯びた粒子である、極めて強力な太陽風の爆発でした。そして、現在の太陽活動周期のピーク（11年ごとに発生する太陽嵐の増加期）に近づくにつれ、この現象はさらに増えるでしょう。

これは、科学者が「宇宙天気」と呼ぶ、太陽と地球の相互作用に関わる現象の一例です。宇宙天気の影響は必ずしも好ましいものではなく、中には極めて危険なものもあります。しかし、その背後にある物理学は非常に興味深いものです。さあ、見てみましょう！

風に吹かれて

太陽は巨大な火の玉だと思われるかもしれませんが、そうではありません。（火は酸素と炭素の化学反応です。）太陽は実際には巨大な核融合炉です。中心核では、陽子が超高圧下で衝突し、陽子同士がくっついて、陽子2個と中性子2個からなるヘリウム原子核を形成します。（陽子のうち2個は中性子に崩壊します。）

でもちょっと待ってください！ヘリウム原子核の質量は、最初の4つの陽子よりも小さいのです。その質量は失われるのではなく、エネルギーに変換されます。アインシュタインの有名な方程式E = mc ²によると、Eはエネルギー、mは質量、cは光速です。この最後の数字は非常に大きいです。光の速度は秒速30万キロメートルで、その巨大さは2乗です。つまり、わずかな質量損失でも莫大なエネルギーを生み出すということです。だからこそ、太陽は中心核の温度が華氏2700万度と非常に高温なのです。そう、かなり熱いのです。

この極度の熱により、太陽の外縁部のガスはプラズマを形成し、電子が原子から引き剥がされ、自由電荷（主に電子と陽子）が飛び回ります。その一部は太陽の重力から逃れられるほどの速度で運動しています。これらの放出された粒子が「太陽風」です。

太陽風が彗星に衝突すると、その影響がはっきりと見て取れます。彗星は、太陽の周りを長い楕円軌道で周回する、大きく汚れた雪玉のようなものです。太陽に近づくと、その氷の塊は昇華してガスに変化します。このガスの一部は十分なエネルギーを得て電離し（電子が原子から解放され）、電荷を帯びたガスになります。そして、太陽風が衝突すると、この電離したガスが押し出され、数千万マイルにも及ぶ尾が形成されます。

豆知識：彗星の尾は飛行機雲のように後ろに伸びていると思うかもしれませんが、そうではありません！尾は太陽から遠ざかる方向に伸びており、基本的には彗星の進行方向の横向きです。

なぜ今なのか?

しかし、なぜ太陽風は11年ごとにこれほど激しくなるのでしょうか？地球と同様に、太陽にも磁場はありますが、非常に不安定です。太陽は固体ではないため、各部で異なる速度で自転しています。そのため、磁場はねじれ、歪み、約11年ごとに極性が反転します。これが最後に起こったのは2013年で、今は2024年です。

これらの移動する磁力線は太陽の表面を突き破り、黒点や太陽フレアと呼ばれるプラズマの噴出を引き起こします。なぜこのようなことが起こるのでしょうか？電荷が飛び交うとき、磁場によって押し引きされるのです。銅線と電池を使って、この現象を実際に見てみましょう。銅線を静止した磁石の近くに置き、両端を繋いで電流を流すと、銅線が動きます。ぜひ見てみてください。

これは太陽活動周期のピーク時に起こる現象です。噴出する磁場がコロナから自由電子と陽子を引き抜き、時速最大240万キロメートル（約240万キロメートル）の速度で宇宙空間に放出します。これが本格的に活発化すると、コロナ質量放出と呼ばれます。そして、5月10日にまさにそれが起こりました。3回の連続した質量放出により、地球を襲った数十年ぶりの強力な太陽嵐が発生しました。専門家によると、この現象は500年で最も激しいオーロラの出現につながった可能性があるとのことです。

空はなぜ光るのでしょうか?

最後の質問は、なぜ太陽風が地球の大気をあのように輝かせるのかということです。そうです、お気に入りのパブのネオンサインが光るのと同じような仕組みです。

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ネオンライトは、ネオンなどのガスが入ったガラス管です。電流を流すと、流れる電子がネオン管内の電子と衝突し、より高いエネルギー準位に押し上げられます。電子が落ち着くと基底状態に戻り、光を発します。色はエネルギーの変化によって決まり、アルゴン、キセノン、水銀など、ガスの種類によって異なる色になります。

オーロラの主役はネオンではなく、大気中のガスです。酸素は低高度では緑色、高高度では赤色の光を発します。窒素は青または紫色の光を発します。黄色やピンク色はガスの混合によって発生し、通常は最も激しい太陽嵐の時にのみ発生します。これらのガスは、太陽からの高エネルギー電荷と地球自身の変動する磁場の組み合わせによって励起され、粒子のエネルギーがさらに高まり、よりエネルギーの高い衝突を引き起こします。

えっと、地球の磁場も変化しているってこと？ええ、これは太陽風そのものによって引き起こされているんです。移動する電荷が磁場の中で力を受けるのと同じように、電荷自身も磁場を作り出します。大量の荷電粒子が降り注ぐと、地球の磁場は歪んでしまいます。それが磁場の揺らぎを引き起こし、空にあの印象的な光のショーを生み出すのです。

もう一つのおもしろい事実：オーロラは昼間にも存在しますが、見ることができません。

気に入らない点は何ですか?

残念ながら、宇宙天気はただの美しい光ではありません。国際宇宙ステーションや高高度の航空機など、宇宙にいる人間にとって、これらの高速で移動する荷電粒子は歓迎されない放射線の嵐です。この場合、主にベータ線ですが、アルファ粒子も降り注ぐ可能性があります。（放射線についておさらいしましょう。）

衛星にも大きな負担がかかります。電荷の蓄積は、衛星の任務（それが何であれ）に必要な電気部品に損傷を与える可能性があります。また、地球が太陽エネルギーを吸収するにつれて、大気が熱せられ膨張します。これにより、低軌道上の宇宙船の抵抗が増加し、速度が低下します。つまり、衛星は軌道から外れたり、落下したりする可能性があるのです。

地上では、太陽嵐は通信やナビゲーションシステムを混乱させたり、停電を引き起こしたりすることもあります。電流が磁場を発生させることを示したことを覚えていますか？その逆もまた真なりです。変化する磁場が電流を発生させるのです。ここでそのデモを見てみましょう。電流を測定するために、メーターにコイル状の電線を接続していますが、今回は電池は使っていません。磁石を動かすと、電線に電流が発生します。