太陽風が地球の磁気圏にぶつかると、驚くほどの静けさに包まれる

太陽風が地球の磁気圏にぶつかると、驚くほどの静けさに包まれる天文・宇宙
地球の磁気バブルの境界(青)は、その前面の大部分に定在波のようなものを形成している

画像:地球の磁気バブルの境界(青)は、その前面の大部分で一見すると定在波を形成している。これは、波が太陽風(赤矢印)に逆らって移動(青矢印)しようとするために起こる。しかし、側面に近づくにつれ、太陽風の速さが勝り、境界線上の波は押し流されていく。

太陽風のエネルギーが地球の磁気圏の「泡」と相互作用すると、止まっているように見えるエネルギーの波が生じる。

インペリアル・カレッジ・ロンドンの研究者が中心となって行ったこの新しい発見は、軌道上の通信衛星から地上の送電線に至るまで、私たちの技術に影響を与える可能性のある「宇宙天気」の原因となる地球周辺の状況についての理解を深めるものです。

太陽は、太陽風と呼ばれる荷電粒子の流れを放出しています。

地球の表面では、地球の磁場によって作られた気泡である磁気圏によって、この嵐から守られています。

太陽風が磁気圏にぶつかると、磁気圏との境界に沿ってエネルギーの波が伝わります。

科学者たちは、波は太陽風の方向に波打つはずだと考えていたが、本日Nature Communications誌に掲載された新しい研究によると、波の中には正反対の動きをするものがあることがわかりました。

定常波

これまでに、インペリアル・カレッジ・ロンドン物理学科の主任研究者Martin Archer博士らは、磁気圏の境界がドラムのように振動していることを明らかにしている。

太陽風からのドラムスティックのようなパルスが磁気圏の泡の最前面に当たると、波は地球の磁極に向かって走り、反射して戻ってきます。

今回の研究では、NASAのTHEMIS(Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms)衛星の観測とモデルを組み合わせて、磁気圏の表面全体に形成される波について考察しました。

その結果、太陽風パルスが磁気圏を襲うと、形成された波は地球の磁力線に沿って往復するだけでなく、太陽風に逆らって移動することがわかりました。

Sim Magnetosphere Waves

動画:赤道(左)と正午の子午線(右)におけるシミュレーション結果の動画。表面波の影響で磁気圏の境界(黒)が動き、磁気圏を圧縮(赤)または希薄化(青)させている。また、この振動は付随する音声に変換されている。

研究チームは、モデルを使って、太陽から来る風のエネルギーとそれに逆らう波のエネルギーがお互いに打ち消し合い、大きなエネルギーを伴うがどこにも行かないように見える「定在波」が発生する様子を説明しました。

Archer氏は次のように述べています。

「下りのエスカレーターを上ろうとするとどうなるかに似ています。力を入れているのに、まったく動いていないように見えるでしょう。」

この定在波は、太陽風に乗って移動する定在波よりも長く持続します。

これは、地球近傍の宇宙空間で粒子を加速するために長く存在することを意味し、地球の放射線帯、オーロラ、電離層などの領域に影響を与える可能性があります。

また、定在波は、他の惑星の磁気圏やブラックホールの周辺など、宇宙の他の場所でも発生する可能性があると考えられています。

音の波

音:人工衛星「THEMIS」が観測した磁気圏の圧縮・希薄化を音に変換したもの

また、THEMIS衛星からの電磁信号を音声に変換することで、磁気圏の境界を伝わる波の音を聞くことができました。

シミュレーションでは、あらゆる場所で何が起こっているかを見ることができますが、衛星では、波が発生している場所を測定することしかできず、時系列的な、くねくねした線しか見ることができません。

このようなデータは視覚よりも聴覚に適しているので、データを聞くことで何が起きているのかを直感的に理解することができます。

「表面波1物理学でいう表面波とは、異なる媒体の界面に沿って伝達する波動である。の定在波の深い呼吸音がずっと続いていて、パルスが当たるたびに音量が上がっていくのがわかります。他のタイプの波に伴う高い音は、それほど長くは続きません。」

Published by Imperial College London. Archer, M.O., Hartinger, M.D., Plaschke, F. et al. Magnetopause ripples going against the flow form azimuthally stationary surface waves. Nat Commun (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-25923-7
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