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毎日がオーロラ・ショー:
「れいめい」衛星によるオーロラの微細構造の観測
オーロラの微細構造の解明を目的として2005年8月24日に打ち上げられた「れいめい」衛星が定常的な理学観測を開始してから、ほぼ2年が経過しました。今でも「れいめい」は、毎日美しいオーロラのデータを送り続けていて、その多くがDARTSから即時公開されています。
オーロラは地球極域上空100-300kmで発生する地球大気の発光現象で、そのエネルギー源は地球磁気圏から飛来する電子です。つまりオーロラという現象は、地球周辺宇宙空間の状態・環境が地球大気というスクリーンに投影された結果、という見方もできます。
このオーロラを探査している「れいめい」衛星の最大の特徴は、オーロラ発光の2次元分布・時間変動、オーロラ発光を引き起こす地球大気への降下電子、それにオーロラ現象に伴って現れる地球大気(電離圏イオン)流出を、理学観測に適した衛星軌道と衛星本体の高度な姿勢制御の実現、それに高い空間・時間分解能を有する高性能な観測機器の搭載により、同時に観測していることです。これまでの衛星の姿勢・軌道・観測機器では、地上から観測されるような微細で活発なオーロラの形態・動態を捉えることは不可能でした。微細構造よりも汎地球的なオーロラの分布・変動に研究の主眼がおかれていたからです。それに対して「れいめい」衛星は、オーロラの光学・粒子観測に特化した小型衛星であり、計画当初から地上観測と比肩できる高品位画像データに加え、衛星でなければ取得できないオーロラ粒子の観測データを同時に取得することを目指した世界初の衛星です。そのため、以下の観測上の要求を満たすように立案・開発が進められました。
- オーロラ活動が活発な夜中付近の極域を繰り返し観測できる軌道(00:50-12:50地方時の太陽同期軌道)を飛翔すること。
- オーロラ発光・粒子を宇宙で観測するのに適した軌道高度(約640km)であること。
- 暗いオーロラ発光でも撮像できる高感度・高空間分解能のCCDカメラの視野を制御しながら、様々な飛翔方向からのオーロラ粒子を高時間分解能で同時に計測できること。
以下に「れいめい」衛星で捉えられたオーロラの例を4例ご紹介します。オーロラカメラ(MAC:Multi-spectral Auroral Imaging Camera)は最多で3波長(青:427.8nm、緑:557.7nm、赤:670.0nm)の可視光域のオーロラ発光を120msec毎に記録できます。南半球では消費電力の問題で2波長(557.7nm、670.0nm)撮像が主流です。動画は以下から簡単にダウンロードできますので、是非ご覧になって下さい。 （ファイルのサイズが大きいので、パソコンに保存してから、再生することをおすすめします。）
動画1 (2005/12/26): 大きな一つのオーロラバンドの中に、流れるような微細なアーク構造がある例
動画2 (2006/04/24): 雲と一緒に、明滅するオーロラパッチ(パルセーティングオーロラ)が見えた後、オーロラアークが幾重にも平行に連なっている例
動画3 (2006/09/17): 明るくかつ激しく変化するオーロラの3集団を次々と観測した例
動画4 (2007/08/07): 複雑に流れたり渦を巻いているオーロラの例
これらの動画では実時間の5倍程度の速度で再生されます。また、画像が流れるように見えるのは主に衛星の移動によるものですが、オーロラ自体も形・場所を大きく変えています。動画の中で形が余り変化しないで流れていくものは雲か地形が月の光に照らされて写ったものです。また、画面中で常に同じ場所に光っている点はCCDの雑音(雑光？)で、放射線帯粒子によるCCD素子の劣化によるものです。
オーロラ画像に加え、プラズマ粒子センサー(ESA/ISA: Electron/Ion Energy Spectrum Analyzer)によるオーロラ粒子(ここでは電子のみ)のデータも簡単にご紹介します。図1は動画1から抜粋されたオーロラ画像(図下)と、オーロラ発光源となる地球大気への降り込み電子(Downward Electron)の運動エネルギー(Energy:縦軸)・時刻(Time:横軸)のプロット(E-t図:図上)です。電子のE-t図では、色がそのエネルギー・時刻で電子が運ぶエネルギー流量を示します。先ほど動画をご覧になった時に、少しずつ動いている小さな四角の印に気付かれたかと思います。この印は、れいめい衛星の位置を地球の磁力線に沿ってオーロラ発光高度(110km)まで投影した地点を示します。つまり、この地点に降り込んでいるオーロラ電子をれいめいは観測していて、その結果が図1のE-t図、ということになります。
図1
図1を丁寧に見ると、E-t図の中で赤く示されたオーロラ電子の運動エネルギー(縦軸)・エネルギー流量(階調)の増減とオーロラ発光の細かな構造が良く対応していることが確認されるかと思います。例えば薄赤色の線はオーロラ画像・電子との対応を示しています。オーロラ全体の構造は、高い運動エネルギー(10keV程度)にまで加速された電子が大量のエネルギー流量を担っている領域全体に対応します。一方、その中の細かなオーロラ構造は、この領域の中で運動エネルギーとエネルギー流量に変調を受けた電子の微細な分布に左右されていることが、「れいめい」衛星の観測結果で明らかとなってきました。
図2
図2では、降り込み方向だけでなく、他の方向に飛翔する電子のエネルギー分布も示しました。地球大気に降り込んだ電子が地球磁場に反射されて宇宙空間へと跳ね返される電子成分(Upward Electron)は大変少なく、降り込み成分(Downward Electron)の殆どが地球大気との衝突で失われていることが分かります。この例でも、微細なオーロラ発光はE-t図に示されているオーロラ電子の運動エネルギーとエネルギー流量の変化と良く一致していることが分かります。
図3
図4
図3・4にはオーロラ静止画だけを示しました。これらの観測でもオーロラ粒子データは取得されているのですが、静止画と動画ではオーロラ現象に対して抱く印象が全く異なることを、特にこの2例では体感して頂こうかと思います。是非、図3・4の静止画と上記にある動画とを比較して頂き、如何にオーロラがかくも激しく、しかも美しい自然現象であるかを理解して頂ければと思います。
平原聖文 (東京大学 大学院 理学系研究科)
2007年11月