磁気圏観測衛星「あけぼの」 - オーロラとヴァン・アレン帯を見つめ続けた26年

2015年6月、北海道でオーロラが観測され、赤く染まる空の写真に多くの人々が息を呑んだ。日本国内でオーロラが見られるのは非常に珍しいことで、北海道で観測されたのは今年3月以来2回、さらに3月の前は11年間にもわたり観測されたことすらなかった。

オーロラの発生には、太陽の活動が大きな要因となっている。オーロラは通常、北極や南極の周辺でしか見られず、緯度の低い日本でも見られるということは、それだけ太陽活動が活発になっているという証拠でもある。

そんなオーロラの活動を26年間にもわたって宇宙から見守り続けた人工衛星が、今年4月に運用を終えた。磁気圏観測衛星「あけぼの」だ。「あけぼの」はその長期間にわたる運用の中で、オーロラがどうして生成されるのか、季節や太陽活動などの変化によってどういう違いが生まれるのかといったことを観測し続け、多くの成果を残した。

その観測対象はオーロラだけではなく、地球を取り巻いているヴァン・アレン帯という放射線帯にも広げられた。そして今、来年打ち上げ予定の新しい衛星「ERG」へとバトンが渡されようとしている。

オーロラと太陽活動

ところで、そもそもオーロラはどのようにして発生しているのだろうか。

その直接的な原因は、宇宙からやってきた電子やイオンが、地球の高層大気の原子や分子と衝突し、その結果として光を放出することでオーロラを見ることができる。原理としては蛍光灯と同じだ。

その電子やイオンは太陽からやってくる。太陽からは、コロナ加熱による「太陽風」や、太陽フレアが関係しているとされる「コロナ質量放出」と呼ばれる現象によって、電気を帯びたガス(プラズマ)が高速で飛んできているためだ。そしてこれらは地球の磁場とぶつかることで、磁気圏という空間を作り出している。地球の磁場は太陽風によって圧迫され、太陽側(昼側)は押し込められ、一方で夜側は吹き流されて、全体的に彗星の尾のような形になっている。

地球に磁場があるのは、地球そのものが巨大な磁石になっているためだ。地球の中には核があり、鉄が溶けて対流し、電流が生み出されていることから、磁力が生じる。たとえば方位磁石が動くのもこのためだ。

そしてこの電子は、地球磁場が持つ磁力線に沿って、大気のある空間へと入り込んでくる。このときに重要となるのが、オーロラの光る高度約100～300kmよりもはるか上空、3000～1万kmぐらいのところにある、強力な電圧を作り出す電場の存在だ。この電場は地球から見て太陽の反対側の、地球の半径のおよそ10倍から100倍ぐらいの距離の位置の、地球磁気圏の中にある。

太陽風のエネルギーはもともと1電子ボルト程度だが、この電場によって、最終的にオーロラを起こすことになる電子(オーロラ電子)のエネルギーは、10キロ電子ボルトぐらいにまでなる。こうして強力な電圧で加速された電子は、地球の磁場の磁力線に沿って地球に向かって入り込み、大気とぶつかることでオーロラを作り出しているのである。もしこの電圧がなければ、電子は地球までやってくることはなく、途中で磁気圏に引き返していくことになるという。このオーロラ上空の強力な電場の存在と、それがないとオーロラは光らないらしいということは、今から40年ほど前から予測されていた。

こうしたオーロラの謎を探るべく、日本は1989年に、磁気圏観測衛星「あけぼの」(EXOS-D)を打ち上げた。

「あけぼの」とオーロラ

「あけぼの」は1989年2月22日、内之浦宇宙空間観測所からM-3SIIロケット4号機によって打ち上げられた。「あけぼの」は地表に最も近い高度が275km、最も遠い高度が1万0500km、赤道からの傾きが75度の軌道に投入された。ちょうど地球を斜めに回り、上からと下からの両方から観測できるような軌道になっている。

当初、目標寿命は1年間とされたが、最終的に2015年4月23日までの、26年2か月間という非常に長い期間にわたって運用が続けられた。磁気圏観測衛星としては世界最寿命で、海外を見渡してもそこまで生き延びた衛星はないという。

その運用の中で、「あけぼの」はオーロラ電子や、その生成機構に関連する長期間にわたるデータを取得し続けた。この長期間というのが重要で、季節の変動や太陽活動、地球磁気活動の変化によって、何がどのように影響を与え、また与えられているのかということをつぶさに観測することができ、統計的に分析することが可能となった。

たとえば「あけぼの」は、オーロラは冬半球ほど強い、ということを発見した。冬半球というのは南北半球のうち季節が冬の部分で、当然その反対は夏半球となる。たとえば日本は12月ごろが冬半球にあたるが、オーストラリアなどは12月は夏だから、夏半球となる。「あけぼの」の観測は、冬半球の上空にオーロラ電子が多く存在していることを示した。

また、オーロラ電子が生み出される電場は、夏半球ほど地球から遠く、冬半球ほど地球に近付くということも発見した。さらに、オーロラ電子の出現する頻度も、夏半球では高度による差異が少なく、一方の冬半球では、低高度ほど頻度が増大することも発見している。これらは電場から出ている電波の強弱を観測し続けることで突き止められたという。