神秘的な光景!オーロラの発生条件やメカニズムを徹底調査!

雑記
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⚪︎オーロラとは

オーロラとは、天体の極域近辺に見られる大気の発光現象です。極光(きょっこう)ともいいます。極域により北極光(ほっきょくこう)、南極光(なんきょくこう)ともいいます。
女神の名に由来するオーロラは古代から古文書や伝承に残されており、日本でも観測されています。
近代に入ってからは両極の探検家がその存在を広く知らしめました。オーロラの研究は電磁気学の発展とともに進歩しました。発生原理は、太陽風のプラズマが地球の磁力線に沿って高速で降下し大気の酸素原子や窒素原子を励起することによって発光すると考えられているが、その詳細にはいまだ不明な点が多い。光(可視光)以外にも各種電磁波や電流と磁場、熱などが出ます。音(可聴音)を発しているかどうかには議論があります。両極点の近傍ではむしろ見られず、オーロラ帯という楕円上の地域で見られやすいです。南極と北極で形や光が似通う性質があり、これを共役性といいます。地球以外の惑星でも地磁気と大気があれば出現します。人が地球上から目視できるオーロラの色には、 主に青や緑、赤があげられます。さらに状況さえ再現すれば、人工的にオーロラを出すこともできます。

⚪︎オーロラの発生条件

美しいオーロラを実際に観るためには、「雲がなく天気が良い」「空が暗い」「太陽活動が活発」という3つの条件が必要です。太陽活動はともかくとして、比較的天候が良く、空気が澄んで日照時間が短い冬は絶好のチャンス。混雑するピーク期を外したいなら、11月~3月がおすすめです。

⚪︎オーロラの色や高度との関係

・発光色が変化するメカニズム

オーロラの色が「赤」「緑」「紫」などに変化するのは、大気の高度が関係しているとよく説明されますが、この話の前に大前提となる発光色の変化の仕組みについて考えてみましょう。
色とは、光の「波長」の長さの違いであり、波長が短い光ほどエネルギーは強く(紫に近く)、長い光ほどエネルギーは弱い(赤に近い)という特性があります。オーロラの光は大気の原子や分子にある電子の軌道が外側に外れ、励起状態になった状態から元の状態に戻る時に発生します。そして、この時に生じる色(波長)は、励起状態と元の状態とのエネルギーの差の大きさにより決まります。このエネルギーの差が大きければ「ピンクや紫色」、小さければ「赤色」、その中間で「緑色」を発光させることになります。原子や分子の電子がとることができる軌道は、量子力学によって決まったいくつかの状態しか持つことができません。言い換えれば、励起により生じる色(波長) は、ある特定の色(波長)だけに限られているということになります。そのため、オーロラの色は虹のように段階的な色彩を放つことはなく、ある程度決まった色(輝 線)でしか光ることはないのです。

・プラズマの侵入を防ぐ大気の壁

オーロラは地球大気圏の高度約80kmから約500km の電離層と呼ばれる範囲で発生します。大気圏では高度が低くなるほど、大気に含まれる原子や分子の密度は濃くなっていきます。そして、これは宇宙から降り注ぐプラズマ粒子に対する地球の防御壁が強くなっていくと言うこともできます。
地球大気圏へ侵入しようとするプラズマのエネルギーが高ければ高いほど(速いほど)より大気圏の低い高度まで侵入することが可能であり、より明るいオーロラを光らせることができるのです。逆に高度が高すぎる場所は、大気の密度が非常に薄くなるため、プラズマと大気原子の衝突が起こりません。高度500km以上ではオーロラが生まれないのはこのためです。オーロラの色の違いは様々な要因が複雑に絡み合って決まります。しかし、オーロラが発光する高度と色の違いには大きな相関関係があります。 地球に到来した太陽風の速度やエネルギーの強さにより、どの大気の原子や分子と衝突するかが変わってくるのです。

▷ 高度 約200km ~ 500km / 赤色

降り注ぐプラズマのエネルギーが弱い場合、高度約 200kmから500kmの範囲で酸素原子に衝突して赤色の光を発します。酸素原子が赤色に光るための励起状態は、太陽風のエネルギーが小さい場合でも生まれやすいのですが、光を発するまでの時間(励起状態から基底状 態までに戻る時間)が非常に長いため、このエリアのように大気密度の低い高緯度でないとなかなか発光しません。

▷ 高度 約100km ~ 200km / 緑色

この高度では酸素原子の密度が高くなるため、より強い太陽風のエネルギーでないと侵入することができません。赤色の発光と同じように酸素原子が励起して発光しますが、衝突するプラズマのエネルギーが強いため、衝突された電子は赤色の発光軌道よりも遠くの軌道となり、より強く励起することで緑色の光を発生させます。 同じ酸素原子にも関わらず、高度により発光色が赤色と緑色で異なるのはこのためです。

▷ 高度 約80km ~ 100km / ピンク・紫色

この高度まで下がると酸素原子の密度は減り、酸素原子よりも重い窒素分子が占めるようになります。ここまでプラズマ粒子が到達するには、かなり強い太陽風のエネルギーが必要となります。そのため、プラズマが衝突する窒素分子や窒素分子イオンを励起させるエネルギーも強く、衝突による電子の軌道差がより大きく生じることで、ピンク色や紫色の光を発します。

まとめ

今回は誰しもが一度は見てみたいと憧れるオーロラについてご紹介しました。
オーロラとは太陽活動で起こる太陽風が要因となり発生する発光現象。
特に”オーロラベルト”と呼ばれる極地に近い位置で多く観測されるのは、実は地球の磁場の力が関係していたんですね。
オーロラはいつでも見ることができるものではありませんが、より高確率に見ることのできる地域というものは存在します。