検索に移動この項目では、大気の発光現象について説明しています。(曖昧さ回避)」をご覧ください。アラスカのオーロラメディアを再生する第28次長期滞在のクルーが国際宇宙ステーションから撮ったオーロラの映像。撮影時刻はグリニッジ標準時で2011年9月7日17時38分03秒から17時49分15秒。場所はインド洋南部のフランス領南方・南極地域から南オーストラリア上空にかけて。aurora)は、天体の極域近辺に見られる大気の発光現象である。lights)ともいう[1]。lights)ともいう。以下本項では特に断らないかぎり、地球のオーロラについて述べる。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る。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た。オーロラの研究は電磁気学の発展とともに進歩した。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、熱などが出る。音(可聴音)を発しているかどうかには議論がある。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。南極と北極で形や光が似通う性質があり、これを共役性という。地球以外の惑星でも地磁気と大気があれば出現する。青や緑、赤があげられる。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る。外部リンク名称[編集]アウロラオーロラという名称はローマ神話の暁の女神アウロラ(Aurora)に由来する[2][3][4]。科学術語になった過程については定説がない[5]。オーロラという名称が使用され始めたのは17世紀頃からと考えられている。名付け親は一説によるとフランスのピエール・ガッサンディで[2][6]、エドモンド・ハレーが自らの論文の中でこの説を述べている[7]。一説は、イタリアのガリレオ・ガリレイが名付けたという説である[2][3][8]。当時彼は宗教裁判による命令で天体に関することを書けなかったため、弟子の名を使ってこのことを著している[4]。オーロラという名称が浸透する以前から、現象そのものは紀元前から様々な地で確認・記録されている。アリストテレスやセネカはオーロラを天が裂けたところであると考えていた。アリストテレスは『気象論』で「天の割れ目(CHASMATIS)」と表現した[9][10]。日本では古くは「赤気」「紅気」などと表現されていた[11]。現代日本語では北極近辺のオーロラを北極光、南極近辺のオーロラを南極光と呼ぶこともある[1][12]。lights(北の光)と呼ぶが、徐々にauroraも使うようになって来ている[4][13]。Australis(南のオーロラ)と呼ぶ[4][1]。lightsと呼ぶ[4]。polarisと呼ばれることもある[4]。観測史[編集]日本の観測史については後述。神話や伝承[編集]そのころ、アンティオコスは再度のエジプト攻撃の準備をしていた。槍と抜き身の剣で完全武装した騎兵隊が空中を駆け巡るのが見えるという出来事が起きた。金の飾りやさまざまな胸当てがきらめいた。そこで人は皆、この出現が吉兆であるようにと願った。[14][15]中国や西欧ほどの緯度ではオーロラの活動が活発な時にオーロラの上の部分、赤い部分が見える[16]。このことから中世ヨーロッパではオーロラの赤から血液を連想し、災害や戦争の前触れ、あるいは神の怒りであると解釈していた[17][18][10]。中世までのヨーロッパでは、オーロラを「空に剣や長槍が現れ」て動いた・戦ったと表現することが多い。これはオーロラの縦縞が激しく動くさまを表している[15]。彗星も空に現れる凶兆とされていたため、オーロラなのか彗星なのか判別できない記述もある[19]。古代中国ではオーロラは天に住む赤い龍に見立てられ[18]、やはり西洋と同様に政治の大変革や不吉なことの前触れであると信じられていた[20]。古代中国には赤い蛇のような体を持ち、体長が千里におよぶとされる燭陰という神が信じられており[21]、中国の神話学者・何新は、大地の最北極に住む燭陰はオーロラが神格化されたものではないかと論証している。その一方で中国の考古学者・徐明龍は、燭陰を、中国神話の神である祝融と同一神であるとし、太陽神、火神ではないかと述べている[22]。表現されている天文現象の中にも、オーロラのことを指しているのではないかと推測されるものがある[23]。北欧神話においてオーロラは、夜空を駆けるワルキューレたちの甲冑の輝きだとされる[24][25]。北欧ではオーロラにより死者の世界と生者の世界が結びついている、と信じている人が未だにいる[26]。エスキモーの伝説では、生前の行いが良かった人は死後、オーロラの国(実質的に天国)へ旅立つと言われている[27]。探検した人々がオーロラを記録に残し始めた。ジェームズ・クックは、1773年2月の航海誌に「天空に光が現れた」と残しており、世界で最初に南半球のオーロラを見たヨーロッパ人であると言われている[28]。オーロラを世に広く知らしめ、社会のオーロラへの関心を大きく高めた出来事としては、ジョン・フランクリン隊の遭難が挙げられる[29]。フランクリンは北西航路を発見するために1845年に出港し、その後行方不明となった。消息の途絶えたカナダ北部へとフランクリン隊を探すために多くの救助隊が向かい、そこで見たオーロラを報告書や回顧録に残したのである[30]。両極を探検した人々もオーロラを手記や記録に残している。フリチョフ・ナンセンの著書や日記には木版画や絵画のオーロラが掲載されている[31][32]。ロバート・スコットも日記にオーロラの様子を残している[33][34]。折り畳まれ、揺れる光のカーテンが空に立ち上がり、そして広がり、ゆっくり消えて行く。思うと、また生き返る。このような美しい現象は、大自然への畏敬の念を持たずに見ることはできない。オーロラが人の心を動かすのは、なにかとらえ難い、霊妙な生命にあふれたもの、静かな自信に満ちて、それでいて絶えず流れ来るものを暗示することによって、人々の想像力を刺激するからである。ロバート・スコットの日記より研究史[編集]オーロラの発生原理については、古くから多くの科学者たちが解明に努めてきた[17]。18世紀から19世紀にかけてのオーロラ研究は電磁気学の誕生と発展そのものである、と言う研究者もいる[35]。黎明期[編集]まるで地面から吹出したように見えるオーロラもある[36]。エドモンド・ハレーは1716年3月にオーロラを観測して論文を発表した。ハレーはオーロラの縞模様が球形磁石の磁力線と一致しているのを認識し、「磁気原子」という仮想の原子が地球内部から吹き出してきて、それが磁力線にそって発光するのではないか、という仮説をたてた[37]。フランスのド・メラン(en)はこの説を支持しなかったが、ジョン・ドルトンやジャン=バティスト・ビオは支持した。ビオは、「磁気原子」の噴出は火山の噴火によるものだと主張した[38]。ド・メランは1733年にオーロラに関する世界初の学術書を書いた。その中でド・メランは巻雲を原因とする説を退け、地球外物質を原因とした。黄道光を作る物質が地球の大気圏で発火する、という説を唱えたのである[39]。太陽黒点の数とオーロラの発生頻度に相関関係があることを発見したのもド・メランである[39]。同著の中で、南半球にも北半球とよく似たオーロラが出るのではないかとも述べている[40]。発生頻度の研究も行われた。イライアス・ルーミス(en)は1859年の太陽嵐をまとめ、1860年にオーロラの発生頻度分布図を作った[41]。図は約1世紀後の国際地球観測年により多くの情報を元に作られた分布図と比べても遜色のないほど正確である[42]。電磁気学の発展[編集]カール・ステルマー(左・en)と助手のビルケラント(右)。オーロラが発生すると地球磁場も変動するということを発見した[17][45]。アレクサンダー・フォン・フンボルトは1845年から1862年にかけて刊行された『コスモス』の1章を割いてオーロラについて述べている[46]。彼はベルリンからアルプスの高山から赤道から極地まで地球磁場を準定量的に測り、ロシアとイギリスの王立協会に地磁気観測所を進言して設立させ、地磁気の擾乱が全球的なものであることを突き止めた[46]。世界中の磁場が乱れて高緯度地方に強いオーロラが出たり低緯度地方にオーロラが出たりする現象に対し、フンボルトは「地球磁場のカミナリ」という新しい術語を作った[47][46]。storms)」と再命名された[47]。19世紀末になると、X線の発見やその研究、またジョゼフ・ジョン・トムソンによる電子の発見に象徴される、真空管を用いた実験が盛んになっていった[48]。トムソンは自著の中で放電管の光とオーロラの光は同一であろうと述べている[48]。ノルウェーの物理学者、クリスチャン・ビルケランドは1896年の時点で、太陽から高速で飛んでくる電子が地球の大気に突入して光ったものがオーロラではないかと考えた。遠征や小さな地球を模した磁石(テレラ)による実験(後述)、地磁気擾乱の解析などを経て、1913年に研究結果を1冊の本にまとめた。この本の中で彼は既に、オーロラに沿って流れる大電流について述べている[49]。カール・ステルマーはビルケランドのテレラを見て数学者から理論物理地球学者に転向し、磁場内での荷電粒子の動きを計算した。算出されたオーロラの発生範囲が実際のオーロラと違うことからステルマーは実測に力を入れ始め、計4万枚のオーロラの写真を撮った。この研究により、オーロラの下端が100km上空にあることが確認された[50]。シドニー・チャップマンは1918年に「磁気嵐の理論の概要」という論文を発表した[51]。その後この論文に対する反論を受けて助手フェラーロとともに1931年、地球の磁気圏は太陽風によって彗星のような形になっているという、チャップマン=フェラーロ理論を発表した[52]。太陽のプラズマの中に「未知のもの」があるはずだというチャップマンに学会は反発したものの、数年後に「未知のもの」とは太陽の磁場であることがわかった[53]。チャップマン=フェラーロ理論は約30年後のアメリカの人工衛星エクスプローラー12号により1961年に実証された[54]。ハンス・アルヴェーンはアルヴェーン波を予言し、「磁場の凍結」という概念を確立したノーベル物理学賞受賞者である[55]。アルヴェーンは「磁場の凍結に固執するから太陽面爆発やオーロラを説明できないのだ」と自らの理論を軽んじて、若い研究者から異端として扱われた。実際に磁場の凍結でオーロラは説明できない[56]。その後チャップマンとアルヴェーンの間で磁気嵐を巡る論争が起こり、チャップマンは「数学的な解に十分な基礎をおかない思索を避けねばならない」といい、アルヴェーンは「プラズマは数式を嫌い、そしてまた数式の示すところに従いたがらない」といい、ステルマーは「オーロラがカーテン状である理由を説明できない理論はオーロラの理論と呼べない。結局私の理論が一番正しいはずである」といった[57]。分光[編集]オーロラの光そのものを分析し、何が光っているのかを調べる研究もなされていた。このアプローチは、分光学そのものの発展を待たねばならなかった[58]。オーロラ分光学が始まったのは1850年代、そして最も代表的な緑白色の光の波長が正確に測定されたのは約70年後の1923年である[58]。当時の真空放電の装置では緑白色の光を再現できなかったり、分光が不正確で間違った同定がなされたりもした[59]。アルフレート・ヴェーゲナーは、大気の上層には「ゲオコロニウム」という下層に存在しない元素があり、これが発光のもとではないかと考えた[59]。ウィリアム・ラムゼーは著書の中で、「太陽中の放射性元素から放出されて飛来する電子が、大気中のクリプトンを励起することによってオーロラは作られる」と述べている[59]。Vegard(en)は電離した窒素分子の出す光と電離してない窒素分子から出る光を同定した[60]。窒素の放電管実験で出る光のうちにオーロラの中にも見られる光が一つ有ることを発見した。この光はアメリカのKaplanによって同定されたためVegard-Kaplan帯と呼ばれる[60]。アンデルス・オングストロームは19世紀後半、オーロラの分光を行い、オーロラの光は太陽光とは違って、短波長の光と狭い範囲の光の集まりであることを発見したと言われている[58]。緑白色の光の波長を556.7nmと測定した。正確には557.7nmである[58]。その後1925年にこの光が酸素分子から出ていることが発見された[61]。酸素原子の出す光も1930年に同定されるなど、オーロラの元となる気体の大部分が判明していき、大気の上層の組成もまた判明していった[62]。全球的観測[編集]ドミニク作戦I・スターフィッシュプライム実験で発生したオーロラ。分光学と磁気嵐の研究は深化するとともに専門化していった[63]。事実上、20世紀半ばの時点ではオーロラの分布や動きに関する研究は全くといっていいほど進んでいなかった[62]。水素原子の光を同定したガルトラインが1947年に全天カメラを考案しており、国際地球観測年の委員長シドニー・チャップマンは極地全域で全天カメラを撮影することを計画した[64]。チャップマンは全天カメラ研究が一段落ついた1965年頃に、人工衛星から写真を撮ることを提案し、これも後述するように実現した[65]。国際地球観測年ではロケットを2台、オーロラの光っている空域へ打ち込み、強力な電子ビームがあることもわかった[65]。人工的にオーロラを出現させる実験もこの頃に実施された。最初の実験はNASAによって1969年に行われた[66]。この実験以前にも大気中核実験により期せずして人工のオーロラが発生したことがある[66]。フェルドシュタインはオーロラの発生する地域を1963年に初めて確定し、環状になっていることを突き止めた。太陽から見るとオーロラの環が固定されていることも発見した[67]。赤祖父俊一も全天カメラやジェット機からの撮影によりオーロラの環の存在を示し、フェルドシュタインとともに1971年、発表したものの支持されなかった[68]。IIによって実際に環を撮影すると、この主張は受け入れられた[69]。発生原理[編集]地球の夜側にプラズマシートが形成される。太陽からは「太陽風」と呼ばれるプラズマの流れが常に地球に吹きつけており、これにより地球の磁気圏は太陽とは反対方向、つまり地球の夜側へと吹き流されている。太陽から放出されたプラズマは地球磁場と相互作用し、複雑な過程を経て磁気圏内に入り、地球磁気圏の夜側に広がる「プラズマシート」と呼ばれる領域を中心として溜まる。このプラズマシート中のプラズマが何らかのきっかけで磁力線にそって加速し、地球大気(電離層)へ高速で降下することがある。大気中の粒子と衝突すると、大気粒子が一旦励起状態になり、それが元の状態に戻るときに発光する。これがオーロラである[70][71]。発光の原理だけならば、オーロラは蛍光灯やネオンサインと同じである[72]。プラズマシートが地球の夜側に形成されるため、オーロラは基本的に夜間にのみ出現するものである。昼間にもわずかながら出現することがある[73]。どのようにして太陽風が地球の磁力圏に入り込むのか、なぜプラズマは特定の部分にたまるのか、何がきっかけで加速されるのかなど、発生原理の肝要な部分については未だ統一した見解はない[74]。有力な説は、入り込む理由や加速される理由を、地球の磁力線が反対向きの磁力線とくっつくこと(磁気リコネクション)に求める説である[75]。オーロラが突如として一気に広がる現象をブレイクアップという[76]。日本語ではオーロラ爆発とも訳される[77]。空から突然光が噴出し全天に広がり、色や形の変化が数分間続く。このブレイクアップに関しても、発生原因や発生過程などはあまり分かっていない[78]。放出されるもの[編集]可視光[編集]フェアバンクスのオーロラ。上部は赤、下のほうは緑になっている。月よりオーロラのほうが暗い。オーロラの色は、宇宙からの粒子が大気に衝突する際に何の成分に当たったかだけではなく、どれくらいの高度で、どれくらいの頻度で、どれくらいの時間をかけて衝突し、どれくらいのエネルギーを与えられて励起し、どの基底状態に戻ったのか、など様々な要素が複雑にからみ合って決まる[79]。太陽光から特定の波長のみ吸収して起きる(共鳴散乱)オーロラがあるという説もあれば[80]、励起する際に原子軌道から跳ね飛ばされた電子(二次電子)が別の原子を励起して別の色を出すこともある[81]。実際には観測される色と出現する高度にはおおまかに相関関係がある[82][83][84]。オーロラの色の見え方は人によってまちまちである。同じ緑白色のオーロラが人によっては黄緑や緑色に見えたり、ピンクのオーロラが赤色に見えたりする[85]。nm近辺(紫)の光をだす。どちらもオーロラの色に幅がある。青紫色のオーロラは、発光するための機構が複雑だったり、人間の目が不得手な波長だったりすることから、肉眼で観測できるのは非常に珍しい[80]。kmよりも高い領域では大気の密度が低いため、エネルギーの小さい電子でも酸素原子を励起させることができる。人の目には赤く見える。kmの辺りは大気の密度が高く、エネルギーの大きい電子でないと酸素原子を励起させられない。人の目にはこれらの色が混ざり合って緑色や緑白色に見える。高緯度地域ではたいていこの色のオーロラが見られる。kmの辺りまで到達するにはよほどオーロラ活動が強くなくてはならない。nm以下の赤や青の光を出す。人の目にはこれらの色が混ざり合って、緑色のオーロラのカーテンの縁に、ピンクまたは赤紫のフリルが附属しているように見える。このように、降り込む粒子のエネルギーが高いほど、平均的なオーロラの発光高度は低くなる。太陽活動が活発なときは、たまに日本や中国、西欧のような低緯度地方でも赤いオーロラが観測されることがある。km以上に伸びること[87]などと関係がある。明るさはレイリーで表される。レイリーくらいが肉眼で見えるかどうかの境目である[88]。明るいオーロラでは数ルクスほどになり、満月の明るさに匹敵する[89]。満月が出ていてもオーロラを見たり撮影したりすることはできる[90][12]。形と分類[編集]オーロラの形態は地球の磁気によって形作られ、よくカーテンに例えられる。これは下端がはっきりしていて襞があることに由来する[91]。