天空の神秘オーロラ
オーロラ完全ガイド
オーロラの知識
大気との衝突による発光
EMISSION BY EXCITATION

磁場のバリアを掻い潜り、地球磁気圏への侵入に成功した太陽風には、もう一つの壁が立ちはだかります。それが地球の大気です。太陽風は大気を構成する原子や分子と衝突し、オーロラを発光させます。しかし、この大気圏への侵入作戦には、最後のドラマが隠されているのです。

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励起による発光

励起とは?

太陽風として地球に届く粒子のエネルギーは、陽イオンと電子で構成される高温のプラズマです。このプラズマ粒子が大気中の酸素原子や窒素分子と衝突すると、衝突された原子が「励起(れいき)」し、電磁波による発光現象が起こります。大気に衝突したプラズマ自体が発光するわけではなく、衝突された側の大気中の原子が発光する。この現象がオーロラの正体なのです。それでは、この「励起」とはいったいどういった現象なのでしょうか。

大気を構成している酸素原子や窒素分子は、中心である「原子核」と、その周りを回る「電子」で構成されています。この電子に太陽風として宇宙から送られてきたプラズマ粒子(主に電子)が衝突すると、衝突された側の電子にはエネルギーが生じ、本来の軌道より外側を回るようになります。これを「励起状態」と言います。励起状態の電子は不安定であるため、元の位置である「基底状態」に自然に戻りますが、この時、2つの軌道にあるエネルギーの差の分だけ光を放出することになります。このエネルギー放出による発光が、オーロラとして現れるのです。

大気の原子、分子のイメージと、励起による発光の流れ
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    1. 電子の衝突

    太陽風として飛来したプラズマに含まれる電子が、酸素原子や窒素分子を構成する電子と衝突する。

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    2. 励起状態

    衝突された電子は本来の軌道より外側を周回する。この状態が励起状態。飛来した電子は別の場所へ弾かれる。

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    3. 基底状態に戻る

    励起状態の電子は、自然に本来の軌道へ戻る。この時にエネルギーが放出され、発光する。

 

高度と色の関係

オーロラガイドのコラム ヤムナスカ・マウンテン・ツアーズ
小泉優

励起状態から発光までの時間

  • プラズマの衝突により電子が飛ばされ、励起状態になってから基底状態に戻るまでの時間(衝突から光が発生するまでの時間)は、飛ばされた先の軌道との距離の差により変化します。軌道差の大きい青や紫色の光は、非常に短い時間で基底状態に戻ります。しかし、起動差の最も小さい赤い光は長い時間が必要となるのです。

    原子の励起状態は不安定であるため、他の原子と衝突するとエネルギーを失い、光ることができなくなります。同じ酸素原子の励起による色が高度により赤色と緑色で違うのは、この理由もあります。高度100kmから200kmの間では大気の密度が濃くなるため、発光するまで長い時間が必要な赤い光は、光を出す前に他の大気分子と衝突してエネルギーを失ってしまうのです。

    また、実際にはオーロラは地上付近では光りません。これは宇宙空間から降り込んで励起状態をつくるプラズマは、高さ80kmよりも上で大気と衝突してしまい、それよりも低い高さには入ってこられないためです。

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オーロラオーバル

オーロラオーバルの大きさと動き

オーロラオーバルを真上から見ると、昼側が薄く、夜側に大きく広がっていますが、これはオーロラの素となるプラズマ粒子が、主に地球の夜側に広がるプラズマシートから送られてくるためです。 地球は自転しているため、オーロラオーバルが覆う地上の範囲も時間帯によって変化していくことになります。

オーロラオーバルの大きさは発生しているオーロラのレベルによる変化するため、いつも同じような形で現れるわけではありません。オーロラの活動が弱いときはオーバルの幅が数100km程度と狭まり、オーロラが見られる場所も限られてきます。一方、オーロラの活動が活発のときはオーバルの幅が1000km以上にもなり、緯度60度から70度の範囲を超えて、普段オーロラが見られない地域でも発生することがあります。ニュージーランドや北海道でたまに見られる低緯度オーロラはこのためです。

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