km以上の高さになる[87]。時間が経つにつれてオーロラの形態も変化していく。オーロラの形にはバンド(帯)、コロナ(冠、放射状)、アーク(弧)[94]、トーチ(松明)、バルジ(腫れ)[95]など様々な形がある。これらは単にカーテンの襞のサイズや数[94]、カーテンの歪み方やねじれ方、曲がり方[95]のみで区別されているだけであり、オーロラそのものの種類が複数あるわけではない[94][95]。コロナ型オーロラはカーテンが反物のように巻かれ、観測者がちょうど真下に立っている時に観測される[96][97]。細い線のように光っている部分をレイという。この部分はオーロラのカーテンが幾重にも重なっているため明るく見えるのである。水平方向(カーテンだったら引く方向)に移動する[97]。これとは別に点滅するオーロラもあり、脈動オーロラと呼ばれる[98]。その他の波[編集]オーロラ領域から観測される電磁波は可視光だけではない。以下)を伝えていることが1960年代から知られている[101]。オーロラが可聴音を発しているのではないかという点に関しては後述。電流と磁場[編集]MHD発電の原理。管の中にプラズマを流し、流れる方向と直角に磁場をかけると、プラズマの流れとも磁場とも直角な方向に電流が発生する[102][103]。極域に降り注いだエネルギーの高い陽子によって、電離層の吸収が高くなり、短波通信ができなくなることがある。これをPCAという[104]オーロラの元である太陽から流れてくるプラズマと地球磁場とが相互作用することにより、起電力が生じる[81]。これはMHD発電と同じ原理であり、太陽風と地球の磁気圏がぶつかるところで発電されている[105]。太陽風が速く、磁場が強く、磁場が南向きの時は発電量が多い[106]。4]、出せる電圧は数百キロボルトであることが推定されている[109][110]。太陽の活動が活発なときはおよそ10の14乗ワット出力できることも分かっている[111]。オーロラが光るぐらいの高さは電離層という領域である。この層では文字通り、太陽の出す紫外線やX線によって、大気成分の一部が電離している。電流が流れやすくなっている。オーロラを発生させる粒子が降ってくると、大気はさらに電離し、上記の「発電所」を含む回路ができる。オーロラが明るい場所を主として、電流が流れるのである[112][113]。前出の電力と電圧から、電流はおよそ数百万から数千万アンペアと算出されるが[114]、オーロラの中を流れる電流はその内の数百万アンペアである[111]。ファラデーの電磁誘導の法則から分かるように、電流が流れると磁場が変化する。オーロラ電流による磁場変化を読み取ることにより、極地にいなくてもどれくらいのオーロラ電流が流れているか算出することができる[115]。電流の強さとオーロラの明るさはおおよそ比例する程度であり、完全に比例するわけではない[112]。オーロラが引き起こした電磁場の変動により被害が出たこともある。磁場の変動により変電所の変圧器に誘導電流が流れて壊れ、その結果停電が起きたり[116][117]、パイプラインに誘導電流が流れて腐食したり[118][119]、伝書鳩が正しい方向へ向かえなくなったりしたことがある[118][120]。オーロラの電流が通電する電離層は、電波が伝送・反射する領域でもあるため、オーロラとともに電波障害が起こり、航空機と空港の間で無線連絡が難しくなることもある[121][122]。熱[編集]さらにオーロラの電流により電離層の大気が誘導加熱され、熱も出る[123]。上記のオーロラ発電機の出力はこの熱から算出されたものである[123]。オーロラの熱が赤道近辺まで届く大気振動を起こしていることも分かっている[124]。オーロラの熱が水平方向に伝播して気圧配置に関わる可能性も指摘されているが、あまり研究は進んでいない[124]。オーロラに伴って発生した熱によって大気が膨張し、そこへ人工衛星が突入することがある[125]。出現地域[編集]オーロラ帯[編集]オーロラ帯は地磁気極を中心とする楕円である[128]。青点は北極点、赤点は地磁気極オーロラは完全な両極点近傍ではあまり観測されない。6]でいえば、昼側では75度を中心としておよそ77度から78度のあたり、夜側では65度を中心としておよそ68度から70度のあたりに、地球の磁極を取り巻くドーナツ状の領域に発生する。オーロラの発生している領域を「オーロラオーバル」と呼ぶ[129][130]。昼夜を平均すると地磁気の緯度でおよそ60度から70度のあたりにオーロラがよく発生するので、この領域を「オーロラ帯」(オーロラベルト)という[131][132]。この領域にオーロラが発生するのは、オーロラ発光の原因であるプラズマ粒子がほぼ磁力線に沿って動く性質をもっているからである。オーロラを起こす粒子の主な供給源はプラズマシートであり、ここから粒子が地球電離層まで磁力線に沿って進入すると、このドーナツ上の領域にたどり着く。よって、オーロラ帯でオーロラが発光しやすいのである[133]。アラスカのフェアバンクス[135]、カナダのユーコン準州のドーソンシティ[136]とノースウエスト準州のイエローナイフ[137]、スウェーデンのキルナ[138]などがオーロラがよく見られる場所として有名であり、多くの観光客や写真家が訪れる。1980年代に開始された人工衛星による観測で、まるでオーロラベルトの直径を示すかのように夜側から昼側へ延びる形のオーロラが発見され、その形からシータオーロラと命名された[139]。宇宙から見た南極付近のオーロラオーバル(背景の地球は合成)アニメーションで見る南極点で撮影されたオーロラ共役点[編集]南極と北極で、オーロラの形や動きが同調しているオーロラは北極と南極で同時に同じような形態(色や形)で発生することが知られている。これは同一の磁力線に沿ってオーロラを起こす粒子が同時に降下するからである[140]。このように同じ磁力線でつながっている地点を共役点という[141]。共役点は地磁気の経緯度が同じである[142]。オーロラ帯の下にあって、地磁気の緯度が同じで、なおかつ南北ともに陸上である地点は、かなり限られている[142]。1970年代頃、日本の昭和基地の共役点は運よく陸上であるアイスランドのレイキャヴィーク付近にあったので[143][142][144]、1980年代にアイスランド大学と協力して昭和基地とアイスランドでの同時観測を開始した[140]。その後、2010年には昭和基地の共役点はアイスランド島からはずれてしまったが[144]、共役点観測は2013年まで続けられている[145]。この観測の結果、同じような形態のオーロラを観測することもあったらしいが、形態の異なるオーロラを観測することもあった[146]。共役点でなぜ異なるオーロラが発生することもあるのかについては、未だ解明されていない[140]。地上の寒さとの関係[編集]オーロラは地球の高緯度地域だけで見られ、主に冬に、特に寒い日によく見られる。前述のとおりオーロラは大気圏上層で起きる現象であり、地上の気温は関係ない[147][148]。高緯度地域で現れやすいのは地球のオーロラ帯がたまたま高緯度地域にあるからである[147]。夏にあまり見えず冬に見えやすいのは、高緯度地域の極夜および白夜によって空が暗くなるからである[148]。[編集]多様な出現形態を持つオーロラという現象全体をみると、出現時間も多様である[151][152][153]。オーロラは肉眼で見えづらいものを含めれば、一晩中観測することが出来る。統計的には夜12時に近いほど見られやすいということが分かっている[154]。アラスカではブレイクアップ(オーロラ爆発)は夜10時から翌3時までの間に起きやすい[155]。3分で終わるが、その前もその後もオーロラを見ることは可能である[156]。オーロラ帯(後述)における典型的なオーロラの出現パターンの例を挙げると、夜21時や22時頃(太陽時)から極側にかすかなオーロラが見え始め、それが次第に低緯度側へ拡大し西の方へ広がっていき、弱い場合は東の方から消滅していくが、強い場合はブレイクアップに伴う鮮やかなオーロラが一時的に現れたあと弱いオーロラが継続し、翌朝6時頃明るくなるに伴い消滅していく[151]。例としてオーロラ帯にある南極昭和基地における1957年冬の観測例を見ると、1時間程度で終わってしまう場合もあれば8時間続く場合もあるし、弱いものが続く場合もあれば強弱変化を繰り返す場合もあり、深夜3時になって出現し始める場合もある[152]。低緯度でオーロラが多発した時期にあたる1957-1958年の日本での観測例を見ると、概ね夜18時-21時(日本標準時)に出現しその日のうちに消滅するものが多く、時間は数分の場合もあれば数時間続いた場合もあった[153]。極域全体を暈のように覆う形状の弱い光を放つオーロラの例では、強弱を繰り返しながら日を跨いで数日間以上継続する場合がある[151]。オーロラが見える頻度が高い地域では、一年に250日くらい見える。白夜ではない夜ならばほぼ毎日見られる[157]。一日の内でオーロラが光ったことをカメラ・肉眼で観測した時、オーロラが一回出現したこととすることが多い[158][88]。日本とオーロラ[編集]日本国内での観測[編集]磁北が西半球にあるので、同緯度では北米より出現回数が少ないが、日本でもオーロラを観測できることがある。太陽の活動が活発な時期(後述)には北海道や新潟で頻繁に、肉眼では観測しづらいが、赤いオーロラが出現する[159][88]。北海道で北の空を染める赤いオーロラを見た住民が山火事と勘違いして消防車が出動した記録もある[160][161]。火事ではないかと巡視船を出す騒ぎになったこともある[162]。肉眼で見えないものも含めれば、比較的低緯度にある日本においても、磁気嵐の時にはオーロラが比較的頻繁に起きていることもわかっている[163]。北海道の陸別町は1989年10月にオーロラが出現したことを契機として[160]、オーロラを観光資源の一つとしている町である[164]。町域にSuperDARN(スーパー・デュアルオーロラレーダーネットワーク)の短波レーダーがある(北海道-陸別HFレーダー)[165]ほか、道の駅オーロラタウン93りくべつがある[166]。レーダーなどを使った観測が行われている[167]。第一次越冬隊(1957年)では徹夜でオーロラを普通のカメラで撮影し変遷や角度をメモするだけであった[168]。その後研究設備が充実するにつれ、レーダーや磁気計や全天カメラによる自動観測を行ったり[169]、オーロラが発光している空域へロケットを打ち込んだり[170]している。日本の観測史[編集]見られる機会が非常に少ない現象ではあるが、日本語では古来「赤気(せっき)」という名前がついていた[171][23]。「紅気(せっけ)」という記述もある[11][172]。最古の記述は『日本書紀』まで遡り、推古天皇の統治時代である620年12月30日には[11]、「天に赤気があり、その形は雉の尾に似ていた。」という記録が残されている[174]。藤原定家の『明月記』でも、1204年2月21日に「北の空から赤気が迫ってきた。その中に白い箇所が5個ほどあり、筋も見られる。」と、オーロラのことだと推定される記録が残されている[175][174]。1770年9月17日に出現したオーロラは、およそ40種の文献に登場しており、北海道、長野また肥前国(長崎県・佐賀県)でも観測されたという記録が残っている[175][171]。日本では明治期から「赤気」という言葉ではなく、「極光」や「オーロラ」が使われるようになった[162]。白瀬矗は1912年3月に南極から帰る際に現れたオーロラをスケッチし、報告書『南極』に残している[176]。日本社会へは1934年に開始された南極海での捕鯨により、オーロラが少しずつ紹介され始めた[1]。1958年2月11日には天候に恵まれたこともあって、北陸から関東にかけて赤い、一部では脈動や黄色も見られるオーロラが出現した[153][162][171][175]。観測された[153][162]。オーロラが出現した日は世界中で電波障害が起き、ヨーロッパでもオーロラが見られた[162]。1989年にも北海道や東北地方などで肉眼で見えるオーロラが出現した[163]。2000年4月7日には、北海道陸別町で4.2kR(レイリー)のオーロラが観測された[177]。オーストラリアで撮影された写真。日本ほどの低緯度でオーロラが観測される時もこのように山際が赤黒く染まる。太陽の活動との関係[編集]太陽活動とオーロラの活動には深い関係がある。太陽風の磁力線と地球の磁力線の再結合、そして夜側の磁力線の再結合により、オーロラが起きる。オーロラの活動と太陽の活動は連動している。オーロラの原因となる太陽の活動としては、太陽フレアの発生[178]、突発的なコロナ質量放出により放出されたコロナの地球磁気圏への衝突[179]、高速の太陽風が噴出するコロナホールの生成[180]の3つが挙げられる[178]。この中でも特にコロナホールは数か月の間ほとんど同じ場所で継続するため、太陽の自転周期を計算するだけでオーロラの活動の予測ができる[181]。コロナホールは黒点のピークの年から数年経った後、つまり黒点周期の後半に多く生成する[182][183]。旅行会社は黒点周期の11年ごとに「オーロラの当たり年」「オーロラ最盛期」などとしてオーロラツアーを組むことがある[184][25][185]。過去のオーロラの変動に関して、複数の報告から1500年から1948年の北半球中緯度におけるオーロラの年間観測日数をまとめた研究がある。これによると、日数変化は太陽活動との相関性が高く、太陽黒点数のグラフに似た変動をする。16世紀・17世紀の間は年間数日から10日程度であったものが1710年頃から増え始め、1730年頃に約50日のピークに達した後、1760年頃に数日程度と底を打った後再び増加、1790年頃には100日近くになる。80日程度で推移した[186][187]。2000年代後半は太陽活動の低下に伴いオーロラの活動低下が報告された。フィンランド気象庁は、2005年から2010年のオーロラがそれまでの100年間で最少だったと報告している[188][189][190]。ピーク以外でもオーロラが出現することがあり、たとえ黒点の数がゼロになっても太陽にコロナがある限り太陽風は吹き、ある程度のオーロラは出現する[178]。磁力線の再結合[編集]地球の地磁気は、北極がS極、南極がN極になっているため、磁力線は南から北へと向かっている[191]。そのため太陽風の磁場が南向きの時は、太陽風の磁力線と地球の磁力線が再結合(磁気リコネクション)し、プラズマは磁気圏の中へ磁力線をたどって侵入できるようになる[191][192]。太陽からやってくる磁場が南向きの時は爆発的なオーロラが発達しやすく、逆に北向きの時は静かなオーロラが出やすいのである[106]。1980年代には、より多くのプラズマで地球の磁気圏の中が満たされるのは、太陽風の向きが北向きの時である、ということが判明した[193]。その原因は、地球磁気圏と太陽風の間ではケルビン・ヘルムホルツ不安定性によって渦が発生していることから、この渦によりプラズマが地球磁気圏へ混ぜ込まれるのではないかという説がある[194][195]。太陽風が速いと、地球の磁気圏がより引き伸ばされ、夜側(太陽の反対側)でも磁気リコネクションがおきることがある[191]。磁力線はリコネクションによりV字型になると、丁度パチンコのゴムひものように急激に縮み、周りにくっついていたプラズマをパチンコ弾のようにとばす性質がある[196][197]。磁気リコネクションによってプラズマ粒子が磁力線をなぞるように両極へなだれ込み、オーロラが出るのである[191][198]。リコネクションとオーロラの因果関係は未だ認められていないものの[199]、相関関係は認められており[200]、プラズマの加速理由を磁気リコネクションに求める説は、数十年来続くオーロラ発生機構の議論の中では最も有力な説である[75]。地球以外の惑星におけるオーロラ[編集]ハッブル宇宙望遠鏡が捉えた土星のオーロラ。地球以外の惑星でも、南北に同じようなオーロラが現れる。オーロラは紫外線、土星本体は可視光で撮影。観測されており[202][203]、大気と固有の磁場をもつ惑星ならばオーロラが出現する可能性があるとされる[203]。逆に言えば、月と水星にオーロラがほぼ出ないのは、月の大気も水星の大気もほとんどないに等しいためである[203]。地球型惑星[編集]2004年8月14日にマーズ・エクスプレスが搭載するSPICAM(紫外・赤外大気スペクトロメータ)により火星でもオーロラが観測された。場所は火星の東経177度南緯52度周辺。広がった時の大きさは30kmで、上空およそ8kmに出現した。マーズ・グローバル・サーベイヤーが収集したデータにある、地殻の磁力が異常な地帯と比べて分析したところ、出現した場所は磁場が一番強い所だと判明した。この関係が示唆するのは、やはり、オーロラの光は電子などが磁力線に沿って動き火星上空の大気を励起させた結果だ、ということである[202][204]。金星には固有の(惑星が持っている)磁場はないにも拘らず、夜側にぼんやりとした、形の定まっていないオーロラが出る[205][206]。近年の観測により、金星には引き伸ばされた磁気圏があってそれに伴い磁気リコネクションが発生していることが分かり、オーロラの原因を説明できるのではないかとされている[206]。木星型惑星[編集]木星と土星の磁場は地球と比べてかなり強く、どちらも強磁場により生じる放射線帯(地球におけるヴァン・アレン帯に相当)を持っている。ハッブル宇宙望遠鏡により明瞭なオーロラが観測できる[202]。木星のオーロラオーバルは地球3個分の大きさであり[207]、エネルギーは地球のオーロラの1000倍ほどである[208]。これほど強力なオーロラが出る理由は、木星の磁場が強いことも挙げられるが、それ以外にも木星の衛星、とりわけ活発な火山を持っているイオも強力な発生源の一つとしてあげられる。イオの火山活動によって吹き出した硫黄や酸素のイオンが木星の磁場圏を満たしているのである[209][208]。オーロラの色は木星の大気の水素を反映したピンク色になる[207]。天王星のオーロラは赤道付近に出る。これは軌道面から98度傾いている地軸周辺に天王星の地磁気軸がなく、地軸からさらに60度ひっくり返っているところにあるためである[210][207]。木星でも南北に同じようなオーロラが現れる。オーロラは紫外線、木星本体は可視光で撮影。木星のオーロラ拡大図。