地球の磁気シールド

地球が太陽からの風をどう防ぎ、太陽嵐が何を起こすのか

ステップごとに

地球は磁石

地球の外核でうねる溶けた鉄が磁場を生み出します。地表では冷蔵庫のマグネットの約100分の1の強さしかありませんが、宇宙のはるか遠くまで広がっています。磁極は地球の自転軸から約9°ずれています。

地球の中心へ向かう道のりのほぼ半分のところに、外核があります。何千度もの液体の鉄の海です。下から上がってくる熱がそれをかき混ぜ続け、地球の自転がその流れをらせん状にねじります。動く鉄は電流を運び、電流は磁場をつくり、磁場が電流を保ちます。何十億年も動き続けている天然の発電機です。

ここに描かれた線は磁場の形を示していて、方位磁針はこの線に沿って並びます。線は南半球で地球から出て、北の近くでまた地球に入るので、方位磁針が指す極は、厳密にいえば磁気の南極なのです。

磁極は移動していて、平均すると数十万年ごとに磁場が反転し、北と南が入れ替わります。最後の反転は約78万年前でした。溶岩は冷えるときに磁場の向きを記録するので、古い岩はそれぞれの反転の日記を残しているのです。

太陽からの風

太陽の外側の大気であるコロナは、目に見える表面の何百倍も熱く、太陽の重力でも引き留めておけません。コロナはあらゆる方向へ宇宙に流れ出していきます。これが太陽風です。ユージン・パーカーが1958年に予言し、数年後に探査機がそれを確かめました。

太陽風はプラズマです。熱すぎて原子が電気を帯びた粒子、おもに陽子と電子に分かれてしまった気体です。とても薄く、角砂糖ひとつ分の空間にほんの数個の粒子しかありません。実験室でつくられた最高の真空より空っぽです。それでも決して止むことはなく、太陽の磁場を太陽系全体へ運んでいきます。

電気を帯びた粒子は磁力線を簡単には横切れず、そのかわりに磁力線の周りをらせん状に回ります。そのため地球の磁場は盾のように働き、太陽風に地球をよけて通らせます。火星にはこのような全体を覆う磁場がなく、何十億年ものあいだに太陽風が空気の大部分をはぎ取ってしまいました。

シールド

太陽風は、先回りして障害物を知らせてくれるどんな波よりも速く進みます。そのため地球をなめらかによけることができず、バウショックで急にブレーキがかかって熱くなります。進んでいく船の舳先の前に盛り上がる波のようなものです。

バウショックを越えると、遅くなった太陽風は磁気圏界面の周りを流れていきます。そこは太陽風の押す力と地球の磁場の押す力がつり合う場所です。ここが地球の磁気の泡、磁気圏の縁です。内側では地球の磁場が支配し、外側は太陽の風の世界です。

泡は太陽側で押しつぶされ、後ろ側は吹き流しのように長く引き伸ばされています。その大きさは太陽風しだいで変わり、風が強く吹くと磁気圏界面は地球の近くまで押し込まれます。宇宙では2つの境界はどちらも見えません。ここでは光る膜として描いています。

月より遠くまで伸びる尾

夜の側では、太陽風が地球の磁場を長い尾に引き伸ばします。これが磁気圏の尾です。その正確な長さは誰にもわかりません。探査機は月のはるか先でもこの尾を見つけていて、月までの距離の15倍以上に伸びているかもしれません。

尾の真ん中にはプラズマシート、つまり熱い荷電粒子の層が走っています。その上と下では磁力線が逆向きになっていて、ゴムひものように張りつめ、太陽風からのエネルギーをためています。それが一気に縮むと、そのエネルギーがオーロラを光らせます。これはこのあとのステップで紹介します。

月は毎月およそ6日間、満月の3日前から3日後まで、この尾の中にいます。そのあいだ月は太陽風から守られていて、日本の探査機「かぐや」は、地球の上層大気から来た酸素が月に届いていることを発見しました。

放射線帯

荷電粒子は磁力線の周りをらせん状に回ります。極の近くでは磁力線が密集して磁場が強くなるため、らせんがだんだん細くなり、粒子はまるで鏡にはね返されたように向きを変えます。こうして粒子は1秒以下で極から極へと往復しながら地球の周りをぐるりと漂い、何年も閉じ込められていることがあります。

内帯にはおもにとてつもなく高いエネルギーの陽子があり、ほとんど変化しません。外帯はおもに電子でできていて、いつも変化しています。太陽嵐が来ると、数時間で空になったり満たされたりします。

アメリカ初の人工衛星エクスプローラー1号は、ジェームズ・ヴァン・アレンのチームがつくった放射線計数器を積んでいました。高いところでは何ひとつ数えなくなり、わけがわかりませんでしたが、エクスプローラー3号がその理由を明らかにしました。放射線が強すぎて、計数器が振り切れていたのです。

音をオンにすると、放射線帯の音が聞こえます。NASAのヴァン・アレン・プローブが記録した電波です。その周波数は私たちに聞こえる音と同じなので、スピーカーでそのまま再生できます。こうした波は、一部の電子を加速し、別の電子を大気へたたき落とします。

太陽嵐

黒点は、太陽のもつれてねじれた磁場が表面を突き破って出てくる、暗くて温度の低い場所です。ねじれた磁場が急に単純な形に戻ると、とてつもないエネルギーが放たれます。フレアと呼ばれる光とX線の閃光、そしてしばしば、自前の磁場をもったガスの雲が宇宙へ放り出されます。これがコロナ質量放出です。

フレアの光は約8分で地球に届きますが、雲は1日から4日かかります。太陽を見張る望遠鏡は数日前に警報を出せますが、雲がほんとうにどれほど強いかは、月の4倍遠くに配置された探査機のそばを雲が通ったときにやっとわかります。私たちのもとに届く1時間足らず前のことです。

2024年5月、黒点群AR 3664は幅が地球の15倍以上もあり、望遠鏡なしで日食グラスを通して見えるほどの大きさでした。太陽は11年周期の極大に近く、5月8日と9日、この黒点群は地球へ向けて次々と雲を放ちました。

押しつぶされるシールド

いちばん大事なのは、雲自身の磁場がどちらを向いているかです。太陽に面した側では、地球の磁場は北を向いています。雲の磁場が南を向いていると、2つは逆向きになってつながることができます。2つの磁石のN極とS極がくっつくのと同じです。すると盾が開きます。地球の磁力線が太陽風に引っかけられ、極の上を越えて尾へと引きずられ、エネルギーが流れ込むのです。

磁場が北を向いた雲はたいてい横をすり抜けていき、速い雲でもあまり被害を与えません。そのため予報官は、雲が待ち構える探査機に届くまで、嵐がどれほど強くなるかを言い当てられないのです。

北と南のオーロラ

尾にためこまれたエネルギーは、そこにとどまってはいません。張りつめた磁力線がパチンコのように地球へ向かって縮み、電子を磁場に沿って投げ出します。磁力線は極の近くに降りてくるので、電子はそれぞれの磁極を囲む輪に沿って上空の大気にぶつかります。ここで光っているオーロラオーバルです。

電子が酸素原子や窒素分子にぶつかると、余分なエネルギーを与えます。そのエネルギーは、ネオンサインが光るのと同じように、決まった一つの色の光として出てきます。酸素は緑に光ります。さらに上空の、空気がいちばん薄いところでは赤に光ります。この赤い光は出てくるまでに2分近くかかり、もっと低いところでは、その前に衝突でエネルギーを奪われてしまうのです。窒素は青と紫に光ります。

北と南のオーロラは同時に輝き、ほとんど鏡に映したような形になります。磁場をもつほかの惑星にもオーロラはあり、木星のオーロラは地球全体より大きいのです。

2024年5月の嵐

2003年以来最強の嵐でした。オーロラは両極から遠く離れたメキシコ、インド、ナミビアでも見られ、6月にはNASAの衛星CIRBEが、嵐がヴァン・アレン帯の間に残した2本の新しい粒子の帯を見つけました。

嵐がエネルギーを注ぎ込むにつれて、光の輪は赤道のほうへ大きく広がり、何百万人もの人がはじめてオーロラを見ました。スマートフォンのカメラは目よりも多くをとらえました。夜の私たちの目にはほとんど見えない、淡い赤やピンクを記録できるのです。

宇宙の嵐は私たちの技術にも及びます。GPSの位置がずれて、北米では春の種まきの最中に、衛星で操縦するトラクターが畝からそれてしまいました。熱せられた上層大気がふくらんで低い軌道の衛星にブレーキをかけ、何千機もの衛星がエンジンを噴かして軌道を保たなければなりませんでした。

この嵐は新しいものも残していきました。6月、NASAの靴箱ほどの大きさの衛星CIRBEが、ヴァン・アレン帯のあいだに2つの新しい帯を見つけました。その一方には陽子が含まれていて、これまで見たことのない組み合わせでした。電子の帯は3か月ほどで薄れましたが、もう一方ははるかに長く残りました。

それでも、これは記録に残る最強の嵐ではありません。1859年のキャリントン・イベントでは、熱帯までオーロラが輝き、電信線から火花が散りました。いまそのような嵐が起きれば、はるかに大きな被害が出かねません。だからこそ、太陽は24時間見張られているのです。