図 94探検館
オーロラのしくみと色が変わる理由
北の光の緑は約 100 km 上空の酸素によるものです。最大級の磁気嵐では、その上の赤い光が韓国まで見えます。
この端末では 3D を表示できません。下の解説のステップを文章で読むことができます。
1 / 14 湖上のカーテンTromsø の緯度の北極圏の村、2 月の夜遅くです。頭上はサブストームの爆発相で、湖の黒い氷に上下逆さに映ります。ドラッグで見上げてください。
ドラッグで回転、ホイールか二本指で拡大します。
この展示で立っている場所
オーロラのしくみは、高速の電子が上空の酸素や窒素に衝突して光を出すことです。この展示では、その光を暗い景色の上の緑のカーテンとして眺め、湖やフィヨルドに上下逆さに映る写真の中に入ったように観察できます。北極圏の小さな村の夜、凍った湖の岸に立ちます。背後には丸太小屋、西にはトウヒの森、東には展望塔のある丘があり、湖の向こうには小さな観測所があります。頭上の空は、科学者がオーロラを記述するのに使う数値から光を計算しています。
谷の幅は約 700 m です。中央の平らな段丘に村があり、窓に明かりのともる 12 軒の小屋、時計付きの木造礼拝堂、サウナ、氷上へ延びる桟橋が並びます。北側の湖は吹きだまりのある黒い氷に覆われています。踏み固めたそり道が湖を一周し、森を通ります。丘の高さは 34 m、その上の 9 m の塔からは空全体を見渡せます。観測所には磁力計小屋、ガラスドームの下の全天カメラ、測定結果を映す 2 枚の画面があります。
空の状態を変えられます。操作には磁気嵐の強さを表す Kp 指数、電子エネルギー、時刻、日付、場所、雲、月、カメラのシャッターがあります。どれも実際の変化に対応してオーロラを変えます。画面左の数値には、その理由となる地磁気緯度、オーロラ帯の端の位置、緑と赤の光の高さ、太陽の位置が表示されます。その上の小さな地図は、極の上から見たオーロラ帯と現在地を示します。
最初の 10 秒
展示は、ノルウェー北部の Tromsø と同じ緯度にある 2 月の夜遅く、Kp 3+、磁気地方時の真夜中の少し前から始まります。サブストームの爆発相に入り、カーテンが明るく折れ曲がり、光の筋が空へ伸びます。雪のない湖面の氷にも同じ光が映ります。ドラッグして見上げてください。緑の光は約 100 km 上空から始まり、このような晴れた夜には雪をほのかに緑に染めるほど明るくなります。
光が生まれる場所
オーロラは、高速の電子が空気に衝突するときに出る光です。NOAA の宇宙天気予報センターによる説明では、電子は地球磁場の夜側の尾部や、地球に近いオーロラ磁力線に沿う領域で加速されます。磁場に沿って極付近の上層大気へ降り、酸素や窒素に衝突します。原子や分子は衝突でエネルギーを受け取り、ネオンサインの気体と同じように光として放出します。陽子もオーロラを作りますが、淡く広がるため、通常は見えにくくなります。
どこで起こるかは磁力線で決まります。赤道付近の磁力線は地表のはるか上を通り、遠い宇宙で閉じます。極付近では大気へ急角度で入り込みます。オーロラを光らせる電子は、夜側の尾部まで伸びる磁力線に沿って降りてきます。その磁力線が地表と交わる場所は、各磁極を囲む帯になります。NOAA によれば、オーロラは通常、地表から 80 から 500 km の高さに生じ、観測に適するのは緯度約 60° から 75° の帯の下です。そこでは 1 年の半分以上の夜に見られます。
エネルギー源は太陽ですが、直接届くわけではありません。太陽から流れる希薄な荷電粒子の流れ、太陽風が磁場を押し、夜側へ長い尾を作ります。そこに蓄えられたエネルギーが突発的に放出されます。太陽が放出する大きなプラズマ雲であるコロナ質量放出が地球に達すると、磁場はさらに強く乱れ、オーロラは明るくなって赤道側へ移ります。
緑と赤になる理由
色の大半は原子状酸素に由来します。NOAA の Science On a Sphere の解説では、最も一般的な色は波長 557.7 nm の淡い黄緑で、よく見られる赤い光も酸素による 630.0 nm の発光です。光の筋の下端には窒素イオンによる 427.8 nm の青紫が現れます。NASA の説明では、緑はおよそ 100 から 200 km、赤は 200 km より上、窒素の青は 100 から 200 km、窒素のピンクや赤紫は約 100 km より下です。
同じ原子なのに、なぜ低い場所では緑、高い場所では赤なのでしょうか。緑の線を出す状態になった酸素原子は、通常約 1 秒で光子を放出します。赤の線を出す状態は平均約 110 秒と長く続きます。200 km より上の薄い空気では、原子は何にも衝突せずにその時間を待てるので、赤い光を出せます。低い場所では衝突が多く、先に隣の粒子へエネルギーを渡すため赤い光は出ません。630.0 nm の発光モデルではこれを消光と呼びます。その結果、高さによって上は赤、中ほどは緑、下端は応答の速い窒素の発光という並びになります。
展示では、この規則に従う 4 層で各カーテンを作ります。シェーダーは曲がった地球の大気を通る視線を 85 km から赤い層の上端まで追います。それぞれの高さでカーテンの模様と交差し、そこで明るい層の光を加えます。そのため下端は鋭い緑になり、上端は赤へ薄れていきます。
高さごとの色
高さの目盛りを有効にすると、身近なものと比較できます。人の身長は 1.7 m、旅客機の巡航高度は約 11 km、Everest の山頂は 9 km 弱です。緑の光が始まる約 100 km は旅客機の高度の約 9 倍、岸の人形の身長の約 59,000 倍です。国際宇宙ステーションは約 410 km、赤い層の高さの範囲を回るため、宇宙飛行士は緑を見下ろし、赤を横から見ることがあります。
目盛りはオーロラの方向に少なくとも 450 km 離して置き、100 km と 400 km が同じ視野に収まるようにしています。地球が丸いため表示の間隔は均等ではありません。遠くからは、400 km の高さも地平線からの見かけの高さでは 100 km の数倍にしかなりません。
電子エネルギーが高さを決める
電子がどこまで深く進むかはエネルギーで決まります。速い電子ほど、密度が増す空気の中を長く進んでからエネルギーを使い切ります。電子降下の研究では、電離のピークは 10 keV の電子で約 110 km、0.1 keV 未満で約 250 km です。約 100 keV の電子は約 80 km まで達します。展示はこうした値を滑らかな曲線で結び、0.1 keV は約 235 km、1 keV は約 145 km、3 keV は約 125 km、10 keV は約 110 km、30 keV は約 96 km、100 keV は約 80 km で止まるようにしています。
電子エネルギーのスライダーで結果を確かめられます。約 1 keV 未満の低エネルギー電子では、赤い線が残る高い場所で光り、オーロラは赤くなります。20 keV 以上の高エネルギー電子では、カーテンは 100 km より低くまで達し、窒素によるピンクの下端が現れます。明るいカーテンの多くは数 keV の電子で生じるため、初期値もそこに設定しています。
極を覆う面ではなく輪
オーロラは北極点の上の光だと思われがちですが、宇宙から見ると輪です。NOAA は各磁極を囲む 2 つのオーロラ帯を説明しています。静かなときの輪は幅数百 km で、地理的な極から離れています。北極点自体は通常、輪の内側のオーロラが少ない極冠の下にあります。観測に適するのが極点ではなく Tromsø、Kiruna、Fairbanks、Yellowknife などの町なのはそのためです。
輪の中心は地理的な極ではなく地磁気極です。地球磁場の IGRF モデルでは、2025 年の北地磁気極は約 80.8° N、72.6° W、カナダ北極圏の Greenland 寄りにあります。北極点から約 1,000 km 離れています。輪は非対称で、昼側より夜側で赤道寄りに伸びます。初期の衛星写真は極からずれたほぼ円形の輪を捉え、Holzworth と Meng は 1975 年、少し補正した偏心円でよく表せることを示しました。
画面の小さな地図は、展示が使う輪を極の上から描き、下側を磁気地方時の真夜中にしています。時刻を変えると太陽に対して固定された輪の下を地球が回ります。Kp を上げると輪が広がります。
磁気嵐で輪が赤道側へ動く理由
オーロラ帯は、夜側の尾部の磁力線が地表へ達する場所です。太陽風の圧力が増し、特に運ばれてきた磁場が南を向くと、地球の磁力線がより多く開いて尾部へ引かれます。極の上の開いた磁力線の領域である極冠が広がり、それを囲む帯も広がります。Holzworth と Meng は衛星写真から、輪の大きさが太陽風磁場の南向き成分に対応することを示しました。NASA の Polar 衛星の紫外線画像を使った Carbary は、最も明るい部分が Kp 1 段階につき地磁気緯度で約 1° 赤道側へ動くという目安を得ました。
そのため強い磁気嵐が北極圏の町にとって常によいとは限りません。このモデルでは Kp 7 で真夜中の輪の端は約 53° に下がります。67.5° の Tromsø は最も明るい光より極側に入り、カーテンは南の空に現れます。ツアーでは村越しに南を見ます。
磁気嵐を表す Kp
Kp 指数は地球磁場の乱れの大きさです。オーロラ帯より低緯度にある 13 観測所の磁力計記録から 3 時間ごとに算出します。0 から 9 を 3 分の 1 刻みで表し、0、0+、1-、1、1+ と続く計 28 段階です。NOAA の地磁気嵐の尺度では Kp 5 が小規模 (G1)、6 が中程度 (G2)、7 が強い (G3)、8 が非常に強い (G4)、9 が極端 (G5) です。G5 は 11 年周期に約 4 回とされています。
同じ表は見える緯度の目安も示します。Kp 5 では Michigan 北部や Maine など高緯度で一般に見えます。Kp 6 では New York や Idaho、通常は地磁気緯度 55°、Kp 7 では Illinois や Oregon の 50°、Kp 8 では Alabama や California 北部の 45°、Kp 9 では Florida や Texas 南部の 40° まで観測されています。
展示の Kp スライダーも同じ 3 分の 1 刻みです。表示は公表される表記に従い、3+ は 3 と 3 分の 1 を意味します。
モデルで輪を配置する方法
この展示の輪の端は 1 つの研究に基づきます。Gussenhoven、Hardy、Heinemann は、オーロラ帯を 1 日に何度も横切る DMSP F2、F4 気象衛星の電子検出器から、拡散オーロラの赤道側の端を求めました。磁気地方時の各時間帯に直線 Λ = Λ0 + α·Kp を当てはめます。Λ は端の補正地磁気緯度です。真夜中付近の 00 から 01 MLT は 66.1° − 1.99° × Kp、正午付近の 11 から 12 MLT は 70.1° − 1.25° × Kp です。夜は Kp 1 段階につき約 2° 赤道側へ動き、昼側の移動は小さくなります。
| Kp | 磁気地方時の真夜中の端 | 赤い上端が地平線から見え始める最低緯度 | NOAA の通常の観測下限 |
|---|---|---|---|
| 0 | 66.9° | 51.2° | |
| 3 | 60.9° | 42.9° | |
| 5 | 56.8° | 37.6° | 60° |
| 6 | 54.8° | 35.0° | 55° |
| 7 | 52.7° | 32.4° | 50° |
| 8 | 50.7° | 29.8° | 45° |
| 9 | 48.7° | 27.2° | 40° |
展示では各時刻の直線を滑らかにつなぎ、表の欠落区間 02 から 04 MLT、13 から 15 MLT は隣り合う時刻の間を直線で補います。観測標本は約 Kp 6 までなので、7、8、9 は外挿です。上の表で NOAA と比べると、「通常ここまで見える」緯度は、端が頭上に来る位置と、赤い上端が地平線にかすかに出る最遠地点の間に入ります。
明るい帯の幅は当てはめではなく独自の目安です。静かな真夜中には約 8°、Kp 1 段階ごとに 0.4° 広がり、正午付近は約 7° としています。明るさは真夜中の前が最大、正午付近が最小です。NOAA の 30 分オーロラ予報は、Kp ではなく太陽風の測定を使う別モデル OVATION Prime に基づきます。
現在地の地磁気緯度
輪の中心は地磁気極なので、地理緯度だけでは判断できません。69.7° N の Tromsø は地磁気緯度約 67.5° です。64.8° N の Fairbanks は約 65.6° で、Alaska が地磁気極の傾く側にあるためです。37.6° N の Seoul は約 28.9° にすぎません。東アジアが反対側にあるためです。同じ地理緯度でも Europe や North America の町の方が見やすくなります。
「現在地」を開き、都市を選ぶか位置情報を使うか、緯度と経度を入力します。展示は IGRF の双極子から地磁気緯度を求め、磁気地方時の真夜中に輪の端が頭上へ来る Kp と、赤い上端が地平線から出る Kp を表示します。図鑑の都市一覧も Tromsø、Longyearbyen から Singapore まで 40 地点で同じ計算をします。入力内容は端末の外へ送られません。
遠くから見えるオーロラ
輪の真下にいなくても見えます。100 km 上空の光は、遠い山並みのように地平線近くで遠方から見えます。ただし地球の曲率による限界があります。高さ h の光が地平線に触れて見える最遠地点までの地表の角度 θ は cos θ = R / (R + h) です。R は地球半径 6,371 km です。110 km では緯度差約 10.6°、距離約 1,200 km、400 km では約 19.8° になります。
輪から遠い人に赤い上端が重要なのはこのためです。大きな磁気嵐では輪が赤道側へ動き、赤い層も高くなります。このモデルの Kp 9 では 475 km に達します。20° 離れた都市からは緑のカーテンは地平線の下ですが、赤い上端だけは上に出ます。
実際には幾何学だけでは足りません。丘、もや、街明かり、地平線近くの光の淡さが妨げます。上の表で NOAA の通常の観測下限が幾何学的な限界よりかなり極寄りなのはそのためです。
韓国と 2024 年 5 月の磁気嵐
2024 年 5 月 10 日、一連のコロナ質量放出が地球に到達し、2003 年以来の G5 磁気嵐を起こしました。NASA は過去 20 年で地球に達した最強の太陽嵐と説明し、磁気緯度 26° でのオーロラ報告を挙げています。このモデルの Kp 9 では赤い上端が 27.2° まで地平線から出るため、報告に近い値になります。
Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI) は韓国での観測を報告しました。Bohyunsan Observatory の上層大気観測システム TIMOS の全天カメラは、赤い 630.0 nm フィルターを通し、北の赤い光を記録しました。Mongolia と United States にある KASI の広視野望遠鏡も赤いオーロラを撮影しました。5 月 12 日早朝には Yongin Children's Observatory のアマチュア天文家が Gangwon の Hwacheon で赤いオーロラを撮りました。KASI によれば、同じ Bohyunsan の全天カメラは Halloween 磁気嵐中の 2003 年 10 月 30 日にも赤い光を捉えています。後の研究では、同じ磁気嵐で韓国上空の電離圏が大きく変化しました。夜には全電子数が増えて強いシンチレーションが起き、翌日には通常より 70% 以上低下しました。
ツアーでは Kp 9、磁気地方時の真夜中近くの Seoul に立ちます。北の尾根の上に細い赤い光だけが現れ、湖に映ります。韓国から期待できるのはおおむねこの程度で、太陽周期で最大級の磁気嵐が必要です。
一晩の変化
NOAA は典型的な一晩を説明しています。夕方には地平線から地平線へ弧が伸びます。夜遅く真夜中に近づくと、風に揺れるカーテンのようにねじれ始めます。やがて急速に動いて非常に明るくなり、全天に広がることがあります。これがサブストームの最盛期です。早朝には雲状になり、拡散した斑点が何時間も点滅することがあります。
Syun-Ichi Akasofu は 1964 年、全天カメラのフィルムからこの過程を記述し、オーロラ・サブストームと呼びました。磁気圏尾部のエネルギーが放出され、爆発相は通常、磁気地方時の真夜中近くに始まります。明け方の脈動する斑点は、コーラスと呼ぶ波が磁気圏の電子を散乱させて生じます。Nishimura らは 2010 年、斑点と波の発生と消失が連動することを示しました。
展示は夜側で Kp 3 以上のとき、約 40 秒のゆっくりした増光、筋が速く動き帯が極側へ広がる約 20 秒の爆発相、回復という周期を繰り返します。磁気地方時 03 から 09 の間は、カーテンから点滅する斑点へ変わります。
磁力計と全天カメラ
爆発相には約 100 km 上空を、オーロラに沿って西向きの強い電流である西向きオーロラジェット電流が流れます。地上の磁力計では北向き磁場成分の低下として現れます。観測所の画面は直近 60 秒の記録を描きます。Kp 4 や 5 の爆発相では数百 nT 下がります。地球の全磁場は約 50,000 nT です。Kp 自体も、より低緯度の観測所の同様の記録から作られます。
隣の全天カメラはガラスドームの下の魚眼レンズで、地平線から地平線までを 1 枚に写します。見上げる向きなので北が上、東が左です。画面には周囲と同じ空のシェーダーを魚眼投影で描きます。
極夜と白夜
北極圏では冬の一定期間、太陽が終日地平線の下にあります。展示は NOAA の太陽位置の式を使い、正午の太陽中心が地平線より 0.833° を超えて下にある日を極夜と数えます。この角度は大気による屈折と太陽の半径を考慮します。Tromsø では 11 月 29 日から 1 月 15 日までの 48 日、Svalbard の Longyearbyen では 111 日になります。
北極線上そのものには極夜がありません。線のすぐそばの Rovaniemi では、最も短い日にも太陽の上端が見えます。大気が像を約半度持ち上げるからです。極夜にはもう少し北の緯度が必要です。
暗さがあって初めてオーロラが見えます。夏のオーロラ帯では白夜が観測を妨げます。展示では太陽が地平線へ上がるにつれオーロラが薄れます。薄明時には高い光の筋の上部に日光が当たり、窒素イオンが紫に光ります。写真で緑のカーテンの上端が紫になる理由です。
目とカメラ
写真のオーロラは、実際の空より明るく色鮮やかに見えることがあります。NASA の図解でも、肉眼では写真ほど明るくないことが多い一方、カメラは淡い光も詳しく捉えると説明しています。カメラはシャッターが開く 2 秒、10 秒、30 秒の間、光を蓄積します。目にはできません。暗所では色を区別しない桿体細胞が働くため、淡いオーロラは明るくなるまで灰色の雲に見えることがあります。
シャッター操作には 2 つの働きがあります。ライブ表示ではカメラの画面のように場面の明るさを変えます。写真モードで「撮影」を押すと、露光中に相当する各フレームを、オーロラを動かしながら描いて加算します。1/30 s では暗く、10 s では明るく滑らかになります。30 s では速い部分がぼけた光となり、雪は露出過多になります。「肉眼」に設定すると、淡い部分の色が失われ、目の見え方に近づきます。
南のオーロラ
南のオーロラ帯は南地磁気極を囲み、Southern Ocean と Antarctica の上にあります。北の帯へ達する磁力線の多くは南にも達するため、磁気嵐は両方を光らせます。ただし正確な鏡像ではありません。Laundal と Østgaard は 2 基の衛星で同時に撮影し、季節や太陽風が運ぶ磁場の向きによって一方が明るくなることを示しました。
韓国には南極の研究基地が 2 つあります。King George Island の 62.2° S にある King Sejong Station は地磁気緯度約 53° で、磁気嵐時に南のオーロラを見ます。Ross Sea 側の 74.6° S にある Jang Bogo Station は約 77° で、輪の極側の端に近い位置です。「場所」で選び、南を見てください。
STEVE とデューン
2016 年、Canada の観測者が通常のオーロラより南に東西へ伸びる細い薄紫の帯を撮影し、Steve と名付けました。通過した衛星は、その下に非常に速い高温プラズマの流れを検出しましたが、通常のオーロラを作る電子降下はありませんでした。科学者は Strong Thermal Emission Velocity Enhancement という後付けの正式名を与えました。Gallardo-Lacourt らは、オーロラではなく加熱された上層大気の発光だと論じています。NASA によれば STEVE は通常のオーロラより 5 から 10 度赤道寄りの非常に細い東西の弧で、20 分から 1 時間続き、ピケットフェンスと呼ぶ短い緑の縞を伴う場合があります。
2020 年には Finland の市民科学者と研究者が、デューンという別の形を記述しました。約 100 km 上空に砂紋のような平行な緑の縞が並び、その高さの大気の波で形作られます。
展示は夜側のサブストーム後、Kp 5 以上で輪の端より約 2.3° 赤道側に STEVE を作り、最大級の磁気嵐では下にピケットフェンスも描きます。
オーロラの音は聞こえるか
北方では昔から、強いオーロラでぱちぱち音、しゅうという音、手をたたくような音を聞いたという報告があります。Silverman と Tuan は 1973 年に報告を総説しました。今も議論が続いています。100 km 上空の音は弱すぎ、到達にも数分かかるため、本物なら地面近くで生じる必要があります。地磁気の乱れに伴う下層大気の電気的効果に結び付ける研究者もいます。森の隠し発見では、報告された音に似た音を再生します。実録ではなく説明用の音です。
11 年周期
太陽活動は約 11 年で増減し、黒点の数で測られます。2024 年 10 月 15 日、NASA、NOAA、国際 Solar Cycle Prediction Panel は太陽周期 25 が極大期に入り、約 1 年続く可能性があると発表しました。それまでの周期最大のフレア X9.0 は 2024 年 10 月 3 日に発生しました。大きな磁気嵐は極大期の前後に多くなりますが、ほかの年にも起こります。
極端な現象の基準は今も 1859 年 9 月の磁気嵐です。フレアを見た天文学者にちなみ Carrington event と呼びます。世界各地の低緯度でオーロラが報告され、Cliver と Dietrich は極端な宇宙天気の限界を論じる材料に使いました。
ほかの惑星のオーロラ
大気と磁場がある惑星にはオーロラが生じます。Hubble は Jupiter の光を紫外線で撮影します。ESA によれば地球全体より広い面積を覆い、地球の数百倍のエネルギーを持ち、途切れません。Jupiter には地球にない供給源があります。火山のある衛星 Io が荷電粒子を宇宙へ放出し、Io からの磁力線が Jupiter に達する場所に明るい足跡ができます。Juno 探査機はその足跡を近くから撮影しました。
Saturn の光も主に紫外線です。巨大惑星の大気が主に水素だからです。Hubble は 2017 年の 7 か月間、北の光を観測し、明け方と真夜中直前の 2 つの明るさのピークを見ました。Mars には全球磁場がなく、輪もありません。NASA の MAVEN は太陽嵐後に広い範囲の拡散オーロラを発見しました。
展示の宇宙画面の「惑星」は Jupiter、Saturn、Mars の光を疑似カラーで描き、横に同じ縮尺の地球を置きます。
空の描画方法
空は単一のシェーダーで、半解像度の各画素について計算し、画面へ拡大します。星と月は全解像度で加えます。各画素から曲面の地球の大気を通る視線を追い、82 km から赤い層の上端まで最大 64 の高さを調べます。鋭いカーテンの下端付近ほど間隔を狭くします。各高さで地表の弧に沿う位置と磁極方向の位置を求め、その地点の模様を参照します。
カーテンは磁場に沿いますが、磁場は鉛直ではありません。双極子では地磁気緯度 λ と伏角 I の関係は tan I = 2 tan λ です。Tromsø の 67.5° では伏角は約 78° で、100 km から 300 km へ上がる磁力線は約 40 km 赤道側へ移ります。シェーダーは各高さの模様をその分ずらし、筋がそろって傾くようにします。真下からは平行な筋が磁気天頂の 1 点に集まって見えます。Tromsø では真の天頂から赤道側へ約 12° の位置で、これがコロナです。
横から見た薄いカーテンは、高さのサンプル間隔より薄くなります。そのため各面をサンプル間隔まで広げ、同じ比率で暗くし、全体の光量を保ってちらつきを防ぎます。湖の反射は、その方向が画面内なら同じ画像を読み返し、画面外なら少ない段階数で計算し直します。
雲と月と村の明かり
雲は約 2.5 km 上空とオーロラよりはるかに低く、厚い部分では完全に光を隠します。下からは上のオーロラに照らされ、淡い緑に光ることがあります。「雲」で流れる雲の層を加え、空の半分以上を覆うと小雪が降り始めます。
月相は操作でき、月の位置はその月相に対応する太陽位置から決めます。冬の満月は夜空の高い位置に、三日月は太陽の近くにあります。明るい月は雪と空を照らし、淡い光を隠します。村は地平線近くに少し暖色の明かりを加えます。
現実との違い
- 輪の端は DMSP の拡散オーロラ境界の近似です。明るい離散的な弧は帯のどこにも生じ得ます。展示では輪の下なら現在地より少し極寄り、それ以外では観測者に近い側へ置きます。
- 帯の幅は目安で、約 Kp 6 を超える近似は外挿です。実際の巨大磁気嵐では直線の予測より赤道側へ来る場合があります。
- ここでは Kp がすべてを決めます。実際は太陽風の速さ、密度、磁場に分単位で反応し、同じ Kp の磁気嵐でも異なる姿になります。
- 地磁気緯度は傾いた双極子から求めます。実際の補正地磁気緯度とは場所により 1 度以上違い、South Atlantic で特に大きくなります。
- 発光層は公表された高度に合わせた滑らかな曲線で、エネルギー付与や化学の完全な計算ではありません。明るさは相対的で、kilorayleigh 単位の値は求めません。
- カーテンは折れた面と流れる筋の模様です。形は写真に似せて作り、高さ、色、磁力線に沿う傾き、位置はモデルに従います。
- 移動先が変わっても風景は同じです。場所に応じて変わるのは空、太陽、月、星だけです。
- 月は選んだ月相に応じて太陽から黄道沿いに配置します。完全な月の天体暦ではありません。
谷の移動
WASD や方向キー、地面のクリックで歩けます。スマートフォンでは左下の円か地面のタップを使います。ドラッグで見回し、真上も見られます。右下で歩行、走行、そり、高さ 45 m のドローン、宇宙を切り替えます。1 から 5 キーも同じです。M は地図、T は課題、B は図鑑、F は隠し発見、P は写真モードを開きます。
丘の塔は南側の階段から登れます。そりは湖を囲む破線の道で最速になります。宇宙ではドラッグで惑星を回し、スクロールで拡大します。
ガイドツアー
ツアーは 14 段階です。湖上の爆発相から始まり、高さごとの色、赤い光、Tromsø より南へ動く輪、コロナの真下、氷の反射、観測所、肉眼とカメラ、極夜、Kp 9 の Seoul、King Sejong Station、正午の Svalbard を経て、宇宙の地球と Jupiter で終わります。
課題と隠し発見
課題は 11 個です。Seoul に必要な Kp のように、モデルから答えを求める質問があります。赤い光、極夜、10 秒の写真、コロナの真下、磁力計のサブストーム、正午の光を実現する課題もあります。「準備」は答えを完成させずに適した初期状態へ移します。
図鑑は 44 項目で、色、形と現象、空とカメラ、宇宙からの眺め、観測した場所を収録します。谷には 18 個の隠し発見があり、うち 7 個は「実は」で始まる思い込みを訂正するカードです。進み具合はこの端末に保存します。
よくある質問
なぜオーロラは緑なのですか?
100 から 200 km 上空の原子状酸素によるためです。電子が酸素原子を励起し、約 1 秒で 557.7 nm の光が出ます。その高さには衝突する酸素も十分あります。
赤いオーロラがあるのはなぜですか?
酸素は 630.0 nm の赤い線も出しますが、約 200 km より上に限られます。その状態は約 110 秒続き、低い場所では発光前の衝突でエネルギーが失われます。高い場所で止まる低エネルギー電子と、発光高度を上げる大きな磁気嵐は、どちらも赤い光を作ります。
どれくらい高い場所にありますか?
NOAA によれば 80 から 500 km です。多くのカーテンの下端は約 100 km、緑は約 200 km までで、それより上が赤です。約 410 km の宇宙ステーションは赤い上端の高さを飛びます。
Kp とは何ですか?
地球磁場の乱れを 13 観測所から求める 3 時間ごとの指数です。0 から 9 を 3 分の 1 刻みで示します。NOAA では Kp 5 以上を地磁気嵐とします。
韓国から見られますか?
最大級の磁気嵐に限られ、通常は北の低空の赤い光で、目よりカメラの方が捉えやすくなります。Seoul の地磁気緯度は約 28.9° です。2024 年 5 月の G5 では Hwacheon で赤い光が撮影され、Bohyunsan Observatory の全天カメラも記録しました。同じカメラは 2003 年 10 月にも赤い光を捉えました。
Seoul にはどの Kp が必要ですか?
このモデルでは約 Kp 9- で赤い上端が初めて北の低い地平線から出ます。輪そのものが頭上に来ることはありません。
北極点が最適な場所ですか?
違います。地磁気極を囲む輪なので、北極点は通常その内側です。輪の下の緯度約 60° から 75° が最も頻繁に見られます。
北と南で同時に起こりますか?
よく起こります。同じ磁力線で結ばれ、磁気嵐は両方を光らせます。ただし正確な鏡像ではなく、一方が明るいこともあります。
夜の何時が最適ですか?
爆発相が始まりやすい磁気地方時の真夜中付近です。Tromsø では現地の真夜中より少し前です。明け方には点滅する斑点に変わることが多くなります。
写真と肉眼で違うのはなぜですか?
カメラは数秒にわたり光を蓄積しますが、目にはできません。暗所の目は色を感じない桿体を使うため、写真では緑でも肉眼では灰色に見えることがあります。
夏にも見えますか?
オーロラ帯の夏は十分に暗くなりません。光はあっても白夜に隠れます。
極夜とは何ですか?
冬に太陽が終日地平線の下にある期間です。Tromsø では約 48 日です。北極線上そのものでは、大気が太陽光を曲げて地平線越しに見せるため、極夜はありません。
STEVE はオーロラですか?
おそらく違います。オーロラより赤道側の細い薄紫の帯です。衛星は下に高速の高温プラズマ流を見つけましたが、オーロラを作る種類の電子降下は見つかりませんでした。
音は聞こえますか?
何世紀もぱちぱち音や破裂音の報告があります。オーロラに由来するかは議論中で、仮に本物でも地面近くで生じる必要があります。
ほかの惑星にもありますか?
あります。Jupiter と Saturn は明るい紫外線の輪を持ち、Jupiter のものは地球全体より広い面積を覆います。Mars には全球磁場がないので輪はなく、斑状に生じます。
なぜ動くのですか?
地球近傍の電流が変わると磁力線が移動し、電子は折れ曲がり流れる面状に到来します。サブストームの爆発相では数秒で変化します。
用語
- オーロラ帯:各地磁気極を囲み、通常オーロラが生じる輪です。
- 地磁気緯度:地理的な極ではなく地磁気極を基準に測る緯度です。
- Kp 指数:地磁気の乱れを 0 から 9 まで 3 分の 1 刻みで示す 3 時間ごとの尺度です。
- 磁気地方時 (MLT):太陽に向いた地磁気子午線を基準にする時刻です。真夜中は反対側です。
- サブストーム:磁気圏尾部のエネルギー放出で、増光と爆発相として見えます。
- 消光:励起原子が発光する前に、衝突でエネルギーを失うことです。
- 磁力計:磁場の変化を記録する装置です。
- 全天カメラ:魚眼レンズで空全体を撮影するカメラです。
参考資料
- NOAA Space Weather Prediction Center, Aurora: https://www.swpc.noaa.gov/phenomena/aurora
- NOAA Space Weather Prediction Center, NOAA Space Weather Scales: https://www.swpc.noaa.gov/noaa-scales-explanation
- NOAA Space Weather Prediction Center, Tips on Viewing the Aurora: https://www.swpc.noaa.gov/content/tips-viewing-aurora
- NOAA Space Weather Prediction Center, Planetary K-index: https://www.swpc.noaa.gov/products/planetary-k-index
- NOAA Space Weather Prediction Center, Aurora 30-Minute Forecast: https://www.swpc.noaa.gov/products/aurora-30-minute-forecast
- NOAA Space Weather Prediction Center, Solar Cycle Progression: https://www.swpc.noaa.gov/products/solar-cycle-progression
- NOAA Space Weather Prediction Center, Joint Solar Maximum Announcement from NASA and NOAA (2024): https://www.swpc.noaa.gov/news/joint-solar-maximum-announcement-nasa-and-noaa
- NASA, Auroras: https://science.nasa.gov/sun/auroras/
- NASA, NASA, NOAA: Sun Reaches Maximum Phase in 11-Year Solar Cycle (2024): https://science.nasa.gov/science-research/heliophysics/nasa-noaa-sun-reaches-maximum-phase-in-11-year-solar-cycle/
- NASA, How NASA Tracked the Most Intense Solar Storm in Decades (2024): https://science.nasa.gov/science-research/heliophysics/how-nasa-tracked-the-most-intense-solar-storm-in-decades/
- NASA, NASA Needs Your Help to Find Steve and Here's How (2018): https://www.nasa.gov/science-research/heliophysics/nasa-needs-your-help-to-find-steve-and-heres-how
- NASA Earth Observatory, Purple Haze Aurora (space station altitude): https://science.nasa.gov/earth/earth-observatory/purple-haze-aurora/
- NASA Scientific Visualization Studio, Aurora: Illuminating the Sun-Earth Connection (infographic): https://svs.gsfc.nasa.gov/vis/a000000/a004900/a004934/Aurora_Infographic.pdf
- NOAA Science On a Sphere, Aurora: https://sos.noaa.gov/catalog/datasets/aurora/
- NOAA National Centers for Environmental Information, Wandering of the Geomagnetic Poles: https://www.ngdc.noaa.gov/geomag/GeomagneticPoles.shtml
- NOAA Global Monitoring Laboratory, General Solar Position Calculations: https://gml.noaa.gov/grad/solcalc/solareqns.PDF
- Korea Astronomy and Space Science Institute, aurora photographed by KASI telescopes and in Korea (13 May 2024): https://www.kasi.re.kr/kor/publication/post/newsMaterial/30045
- Lee, W. K. et al., Ionospheric responses to the May 2024 G5 geomagnetic storm over Korea, Journal of Space Technology and Applications (2024): https://doi.org/10.52912/jsta.2024.4.3.210
- Gussenhoven, M. S., Hardy, D. A., Heinemann, N., Systematics of the equatorward diffuse auroral boundary, Journal of Geophysical Research (1983): https://doi.org/10.1029/JA088iA07p05692
- Holzworth, R. H., Meng, C.-I., Mathematical representation of the auroral oval, Geophysical Research Letters (1975): https://doi.org/10.1029/GL002i009p00377
- Carbary, J. F., A Kp-based model of auroral boundaries, Space Weather (2005): https://doi.org/10.1029/2005SW000162
- Alken, P. et al., International Geomagnetic Reference Field: the thirteenth generation, Earth, Planets and Space (2021): https://doi.org/10.1186/s40623-020-01288-x
- Matzka, J. et al., The geomagnetic Kp index and derived indices of geomagnetic activity, Space Weather (2021): https://doi.org/10.1029/2020SW002641
- Machol, J. L. et al., Evaluation of OVATION Prime as a forecast model for visible aurorae, Space Weather (2012): https://doi.org/10.1029/2011SW000746
- Fang, X. et al., Electron impact ionization: a new parameterization for 100 eV to 1 MeV electrons, Journal of Geophysical Research (2008): https://doi.org/10.1029/2008JA013384
- Fukizawa, M. et al., Statistical study of electron density enhancements in the ionospheric F region associated with pulsating auroras, Journal of Geophysical Research (2021): https://doi.org/10.1029/2021JA029601
- Solomon, S. C., Hays, P. B., Abreu, V. J., The auroral 6300 Å emission: observations and modeling, Journal of Geophysical Research (1988): https://doi.org/10.1029/JA093iA09p09867
- Akasofu, S.-I., The development of the auroral substorm, Planetary and Space Science (1964): https://doi.org/10.1016/0032-0633(64)90151-5
- Nishimura, Y. et al., Identifying the driver of pulsating aurora, Science (2010): https://doi.org/10.1126/science.1193186
- MacDonald, E. A. et al., New science in plain sight: citizen scientists lead to the discovery of optical structure in the upper atmosphere, Science Advances (2018): https://doi.org/10.1126/sciadv.aaq0030
- Gallardo-Lacourt, B. et al., On the origin of STEVE: particle precipitation or ionospheric skyglow?, Geophysical Research Letters (2018): https://doi.org/10.1029/2018GL078509
- Palmroth, M. et al., Citizen scientists discover a new auroral form: dunes provide insight into the upper atmosphere, AGU Advances (2020): https://doi.org/10.1029/2019AV000133
- Laundal, K. M., Østgaard, N., Asymmetric auroral intensities in the Earth's Northern and Southern hemispheres, Nature (2009): https://doi.org/10.1038/nature08154
- Silverman, S. M., Tuan, T. F., Auroral audibility, Advances in Geophysics (1973): https://doi.org/10.1016/S0065-2687(08)60352-0
- Cliver, E. W., Dietrich, W. F., The 1859 space weather event revisited: limits of extreme activity, Journal of Space Weather and Space Climate (2013): https://doi.org/10.1051/swsc/2013053
- ESA/Hubble, Hubble captures vivid auroras in Jupiter's atmosphere (heic1613, 2016): https://esahubble.org/news/heic1613/
- Mura, A. et al., Juno observations of spot structures and a split tail in Io-induced aurorae on Jupiter, Science (2018): https://doi.org/10.1126/science.aat1450
- ESA/Hubble, Hubble observes energetic lightshow at Saturn's north pole (heic1815, 2018): https://esahubble.org/news/heic1815/
- Schneider, N. M. et al., Discovery of diffuse aurora on Mars, Science (2015): https://doi.org/10.1126/science.aad0313





