☆オーロラの話

第二章  オーロラのしくみ     ──地上で体験できる最も美しい現象──

1.オーロラとは

 オーロラとは、空の高いところで自分で輝いている光です。
よく例にとって説明されるのがネオンサインです。ガラスの放電管の中につまっているネオンガスの中を電気が通り抜けると、ある決まった色を出します。ネオンは赤、アルゴンは紫です。このしくみがオーロラの光るしくみと似ています。

 高さは上空80kmから500キロメートルの高さまで広がっていきます。60キロメートルより下にはけして現われません。

★オーロラはドーナツ型

 オーロラが出現するのは極の真上ではなく、北と南の極付近を中心にドーナツ型をした一帯です。リングの中心は地理上の極ではなく、地球の磁場の中心です。オーロラがもっともよく現われる地域は、シベリアの北極海側を通りスカンジナビア半島の北、アイスランド、グリーンランドの南、カナダのハドソン湾とジェームス湾が接しているところを通過し、イエローナイフ、アラスカの中央を通って一周する領域ですが、この一帯をオーロラ・オーバル(オーバルは卵形のこと)といいます。私がオーロラと出会ったのはイエローナイフでした。
 
 オーロラの光は普通のオーロラで0.1ルクス(満月の明かりで本を読む明るさが1ルクス程度)と弱いので夜にしか見えませんが、ドーナツ型をしたオーロラは、もちろん昼側にも出ています。また、北と南の極側に、同じ形、同じ色、同じ規模のオーロラが同時に出ています。
   
2.オーロラの光るしくみ

 オーロラが光るしくみは、家庭の蛍光灯や街のネオンサインと同じです。
 オーロラは超高層の希薄な大気中でおこる放電現象なのです。カラーテレビで説明されることも多いです。最近は、液晶や、さらに薄型のMLも開発されていますが、一般的なブラウン管を使ったテレビです。このブラウン管の後ろには、電子銃と呼ばれる電子を放射する装置があります。そこから放射された電子は、ブラウン管の中で加速され、制御された磁場と電場に導かれて、ブラウン管の内側に塗ってある蛍光物質に衝突します。そこが発光して画像になる、このしくみがオーロラと似ています。

 テレビと比較した時、電子を放出するのが太陽です。ブラウン管にあたるのが地球磁場と電場です。そして、蛍光物質が地球の大気です。

2−1.太陽 ・・・・ちょっとだけ詳しく

  太陽からは、常に太陽風と呼ばれる荷電粒子が噴き出しています。これは、電子と陽子と、ごくわずかな他の粒子です。

太陽は複雑な磁場を持っています。
 対流層での
ダイナモ作用によってつくられた強い磁力線の束が、光球面の上に飛び出したものが、黒点として見えるものです。
 太陽も、南北に双極子をもつ磁場を形成しますが、太陽の自転により、磁力線の束は水平方向に引っ張られていきます。対流層の複雑なプラズマ流体の流れは、磁力線をねじりあげていき、黒点として光球上に磁力線を浮上させます。黒点が現われるのは、赤道をはさんで南北5度から40度の範囲です。普通に見られる大きさの黒点でも、1個の大きさが地球の大きさほどもあります。ちなみに、地球を太陽の直径に並べると109個も入ります。

 太陽の光球のまわりにはコロナが広がっています。これは、皆既日食のときに月が隠した光球のまわりに白く輝いている部分で、太陽の大気です。コロナは100万度以上の希薄なガスです。超高温のため、ほとんどの原子が電離(原子がプラスの陽子とマイナス電子にわかれたもの、つまり
プラズマ状態になったもの)しています。コロナは少しずつ膨張していき、最終的に秒速400kmの太陽風となって、惑星空間に吹きだしています。

2−2.コロナ

  太陽の黒点は11年周期で増減しますが、太陽活動が盛んな
極大期には黒点の数も多くなります。極大期には黒点の周辺でフレアと呼ばれる爆発現象が頻繁に起こります。すると、超高温のプラズマがコロナ中に出現します。そして、そこから強力な紫外線やX線、加速されたプラズマが放出されます。
 フレアのエネルギーを作り出すのは、黒点やその周辺の強い磁場のひずみです。もともと黒点となる磁力線は、ねじ曲げられたり、浮上したことで周りのガスに押されてよじれたりしているので、ひずみがどんどんたまっていきます。あるときついに耐え切れなくなって大爆発がおこります、、、それがフレア爆発です。エネルギーが一気に開放されて惑星空間に放出されていきます。
 電気を流しやすいプラズマ流体は磁力線と強く結合します。太陽内部では、対流層のプラズマ流体が磁力線をねじり上げていますが、コロナでは逆に希薄なプラズマ流体を磁力線が支配します。
 フレアがおこるまでは磁力線が
プロミネンスを押さえつけていますが、ひずみに耐え切れなくなってくるとプロミネンスは飛び散り、ちぎれた磁力線は膨大な熱エネルギーを生み出すのです。

 また、
コロナガス噴出と呼ばれる爆発現象もおこります。
強い磁場や高密度の荷電粒子を含んだ
プラズマの雲を発生させ、上昇しながら急速に膨張し、太陽本体より大きくなっていきます。
 フレアやコロナガス噴出にともなう太陽風は速度が速く、秒速1000キロメートルに達します。これらが地球に衝突するとオーロラが活発になったり、大きな磁気嵐がおこり電波通信に障害がおこったりします。

 それとは別に、
コロナホールと呼ばれる秒速750キロメートルの太陽風が吹きだす領域があります。これは、周辺のコロナから吹きだす秒速400キロメートルの低速の太陽風とぶつかり、境界面には衝撃波が形成します。この領域を地球が通過すると、やはり活発なオーロラや磁気嵐がおこります。このコロナホールは、南北の極近くを拠点として、時々は低緯度まで伸びてきます。ホールと呼ばれているのは、ここが低密度・低温で、X線で観測すると暗くて穴のように見えるためです。しかし、なぜこのようなコロナホールが存在するのかは、まだわかっていません。

これら太陽風の量は可視光線の100万分の1にすぎませんが、エネルギーが高いので、オーロラを作り出す働きをもっているのです。また、太陽風はプラズマの流れなので電気伝導度が高く、そのため太陽の磁場も一緒に運び出しています。これも、オーロラができる要因となります。

 地球に向かった太陽風は、地球の磁場にぶつかります。地球の磁場は有害である太陽風に対してバリアのような役割をしています。これは、ローレンツ力によるものです。

 太陽風は磁気圏の正面から中に入れず、岩を避けて避けて通る川の流れのように回りを吹き抜けていきます。
 地球の磁気圏は、この太陽風の圧力に押されて、太陽側では押し縮められ、反対側では長く引き伸ばされています。

 この太陽風と地球磁場の総合作用でオーロラが発生します。

2−3.地球磁場

 地球の強力な磁場は、27億年前にできたのではないかと言われています。

 この強い磁場がうまれた説にはいろいろありますが、そのひとつにマントルの対流によるものとする説があります。46億年前に原始地球が誕生した時は、地球はまだマグマの海でした。全てが溶けていることにより、密度が高い金属鉄成分は中心部へ沈み込んでいき核がつくられました。

 やがて地球が冷えてくると、表層の一部が固まり、水蒸気は大量の雨になって地球に降りそそぎ海が誕生しました。40億年前になると表層が冷えて、プレートテクニクスが始まりました。そして、沈み込んでいったプレート(地殻とマントルの最上部が一体となり、かたい板となったもの)は上部マントルと下部マントルの間にたまっていきました。
 27億年前までのマントルは、硬さと鉱物成分の違いから上部と下部の二層に分かれてそれぞれ別の対流運動をしていましたが、27億年前、たまっていたプレートが外核へと沈み込みはじめたのです。(核は鉄を主成分とする金属からなるが、液体の外核と、固体の内核に分かれている)熱い外核の表面に冷たいプレートが落ち込んだために、液体金属の外殻は激しく規則的な対流を始めたとするものです。この
液体金属が流動し始めたことにより、地球には強力な磁場がつくられたと言われるものです。

 この他にも、地球の冷却に伴い、圧力の強い中心では固体の鉄ができて内核が成長し始めた。その過程で鉄以外の軽い元素(O.H.Si.Ca.S)は一緒には固まりにくく固体の表面に放出される。その軽元素を含む液体が外核の中を浮力で上昇することで、対流運動がおきたとされる説があります。

 そして、いずれにしても、今の地球の強力な磁場を生成・維持しているのは、
ダイナモ作用によるものとする説が有力です。

  
※ダイナモ作用・・・地球の深部での発電作用
     地球の半径は6400km、そのうち中心の3500kmは電気の流れやすい金属・鉄でてきて
     います
この鉄は宇宙の元素合成で多くつくられるもので、特別なものではありません。
     外核は溶けて流れやすい金属の鉄です。地球に最初に小さな磁場があれば、その中を鉄が
     流れることで、電流が生じます。その電流は新たな磁場を生みだすので、こうして磁場はどん
     どん大きくなっていきます。そして、中心核の流れに相当した大きさの磁場がつくられます。


 ダイナモ作用がおきるのは外殻に対流をおこさせるエネルギーが必要です。これにもいろいろな説があります。先にも書いた、

★マントルの活動に伴うとする説、
★最も有力な説である、中心核(内核)が今も成長し続けていて、その固まる過程で
  放出される軽元素で対流がおきているという説、
★放射性元素の崩壊によって内核で生み出さる熱の作用、などです。

また、外核は液体であるため、地球の自転による
コリオリの力が作用して運動の向きが変わり、対流運動が自転軸の方向にのびたセル構造になっているようです。つまり、中心に棒磁石があるかのような地球磁場の方向づけは、地球が自転していることによるもののようです。

  ※コリオリの力
      台風が北半球では反時計回り、南半球では時計回りになることは理屈ではわかりますが、
      計算式は、ややこしくてまだ解いていません。(^^; よくある、円盤をモデルに使って、摩擦
      を考えずに
反時計回りの円盤の中心から外に向けてボールをまっすぐに転がすと、中心の
      人からはボールが
右にずれて見えるということと、地球の極の上で一番大きく、赤道ではか
      なり小さい力だということは、星の動きが北極星中心では回転して見えるが、南の地平線近
      くなるほど平行運動に近くなることからも解かります。



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