太陽風とアレン帯の発見

宇宙はプラズマに満ちていると前回お話しました。では、それらはどのような状態で宇宙空間に存在しているのでしょうか。

1958年、パーカー博士(ユージン・ニューマン・ パーカー)は「宇宙空間には常に太陽から噴出したプラズマ流(太陽風)が超音速で吹いている」とする。「太陽風理論」を発表しました。これは、宇宙は真空で太陽プラズマは太陽の大きな重力にとらえられていると考えられていた当時の常識を覆すものでした。パーカー博士は理論計算によって、太陽表面から離れるにしたがい外へ広がろうとする熱エネルギーが重力を超えてプラズマが流出することを明らかにしたのです。※2

一方、同じ年にガイガーカウンターという放射線量の計測装置を搭載したアメリカ初の人工衛星・エクスプローラー1号が打ち上げられました。放射線量のカウント数は地球を出てからどんどん上昇し続けましたが、ある所でパタッとゼロになりました。ゼロですからふつうに考えると「何もない。宇宙はやはり真空だ」と思いそうなものですが、バン・アレン博士(ジェームズ・A・バン・アレン)は「放射線が多すぎて装置が飽和したのだ」と解釈しました。その解釈は正しくて、バン・アレン博士は地球の周りをドーナツ状にとりまいた高エネルギー粒子(放射線・陽子)が多量に存在する放射線帯を発見しました。これは博士にちなんでバン・アレン帯と呼ばれています。

地球磁気圏とプラズマ

太陽風理論発表の数年後、人工衛星によって実際に観測された太陽風の存在は、地球を取り巻く宇宙空間の解明に大きく寄与しました。

前回お話したように、プラズマは非常に電気を通しやすい性質を持っているため、電流が流れます。一方で地球は磁気を持っていますから、地球上には磁場 (地磁気)が生じています。電流と磁石が互いに関係し合うことはみなさんもご存知でしょう。例えば、導線に電流を流すと、近くに置いた方位磁石が動きますよね。これは電流の周りに磁場ができるからです。スケールは大きくなりますが、プラズマ流が地球にあたるとどうなるでしょうか。

ブラズマは電子と陽子という電荷を帯びた粒子の組み合わせです。一個一個の粒子として扱うと莫大な量の粒子を追う必要が出てきますから、巨視的にある程度の塊(流体)として考えます。ただ宇宙のプラズマは単なる流体ではなく、電流と磁場と流体がさまざまに変動する電磁流体ですから、流体力学の方程式と電磁力学の方程式を組み合わせることになります。これが、1960~70年代に盛んになった電磁流体力学(MHD)の考え方です。私が学生だった頃はちょうどハンス・アルヴェーンの電磁流体力学の出始めでしたから、「宇宙は真空ではなかったのか」ととても興味深く勉強したものです。

太陽風は地球に向かって吹いてきますが、地磁気がありますから地球を直接通過せずに脇へそれます。そして、磁場をひっぱりながら太陽風は流れていきます。

地磁気が太陽風を支配している領域を地球磁気圏といいます。また、太陽風はものすごいスピードで流れていますから、磁気圏という障害に出会ったときに、”衝撃波(shock wave)”が作られます。衝撃波とは媒体中を超音速で伝わる波です。情報なしに、音が伝わるよりも速くやってくるから「ショック」です。そして、ショックによって流速、圧力、温度、密度などに乱れが生じます。流れがとまってしまう形になると、とまった分だけ運動エネルギーが熱エネルギーに変わります。1evか2ev程度で均一に流れてきたものの、衝撃波辺りで一気に熱くなり、 1evからKev、すなわち100000度から107度くらいの超高温のプラズマになります。

ちなみに、磁気圏の出発点ともいえる地球上空には電離層という領域があります。地球大気の上の方にある空気がプラズマになっているところです。酸素や窒素などの原子に太陽からの強い紫外線などがあたることで電子とイオンに電離されています。この空気からできた地球オリジンのプラズマは0.1eV,すなわち1000度程度。磁気圏の端から端までで地球周辺では熱いプラズマと冷たいプラズマが混在していて、それらも相互作用しています。

地球を取り囲む宇宙空間のイメージが湧いてきたでしょうか。遠い世界のことのように感じるかもしれませんが、オーロラが届いたり、電波障害を起こしたりと、地球磁気圏からのプラズマと私たちの世界はつながっています。宇宙に出ていく時代を生きるであろう皆さんには、宇宙を満たしているプラズマについて理解して欲しいと思いますから、次回ももう少しプラズマの話にお付き合いください。

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