金沢大学理工研究域電子情報通信学系の尾崎光紀准教授および総合メディア基盤センターの笠原禎也教授と，国立極地研究所，名古屋大学宇宙地球環境研究所，東京大学，東北大学，JAXA宇宙科学研究所，電気通信大学などの研究グループは，地上と科学衛星の同時観測により，地球周辺の宇宙空間で生まれる電磁波が原因となって，南極，北極の上空の深く，すなわち成層圏近くまで高エネルギーの電子が降り注いできていることを世界で初めて明らかにしました。成層圏のオゾンの破壊を誘発すると考えられている高エネルギー電子が南北極域大気に降り込んでくる仕組みの解明を一歩進めた成果です。
オーロラは，高度約100～300kmにおける大気の発光現象であり，地球周辺の宇宙空間から磁力線に沿って降り込んでくる数十キロ電子ボルト（keV（注1））以下のエネルギーを持つ電子が極域大気の原子や分子に衝突することによって発生します。さらに高い数百keV以上のエネルギーを持つ電子は，より地上に近い「中間圏（注2）」と呼ばれる高度約50～90kmの大気層まで侵入してその組成を変化させ，中間圏のすぐ下にある成層圏のオゾン破壊の要因となると考えられています。
本研究グループは，地球周辺の放射線環境を調査する科学衛星「あらせ」により電磁波を，南極，北極に設置された大型大気レーダー「PANSY（注3）」，「MAARSY（注4）」により大気の電離を，同時に観測しました。その結果，科学衛星「あらせ」が宇宙空間で電磁波を観測した同時刻に，南北両極では大気レーダーが上空55～80kmからの強い反射エコーを捉えました。また同時刻に，北極のアイスランドでは，脈動オーロラが観測されていました。これは，宇宙空間で生じた電磁波が，オーロラを光らせるエネルギー数十keV以下の電子だけでなく，より高いエネルギー（数百～数千keV）の電子を南極，北極の上空深くまで降り込ませ，大気を電離したことを示しています。
本研究により，これまで激しいオーロラ爆発が頻発する磁気嵐と呼ばれる大規模なイベントのときに発生すると考えられてきた数百keV以上の高エネルギー電子の地球大気への降り込みが，高速太陽風の到来や単発のオーロラ爆発といった比較的小規模なイベントのときにも，極域中間圏まで降り込んでいることを明らかにしました。特に，オーロラ爆発は，平均して1日に数回と頻繁に発生するため，地球の大気に大きなインパクトを与える可能性があります。今後，小規模なオーロラ現象が，どのくらい高エネルギー電子を降り込ませ，地球の気候変動に影響を与えるのか，定量的に調査することが重要です。
本研究成果は，2019年11月26日に国際科学誌『Journal of Geophysical Research – Space Physics』のオンライン版に掲載されました。
図1. 2017年3月21日02～07時に，科学衛星「あらせ」で観測された地球周辺の宇宙空間の電磁波と，南北極域の大型大気レーダーPANSY，MAARSYで観測された中間圏エコー（国立極地研究所 提供)
（a） ノルウェーのMAARSYレーダーで観測された高度55～85kmからの反射エコー強度。（b） 科学衛星「あらせ」が観測した高周波帯（0.1～10kHz），（c） 低周波帯（0.03～5Hz）の電磁波の強度。（d） 南極昭和基地のPANSYレーダーで観測された高度55～85kmからの反射エコー強度。（b），（c）で，科学衛星「あらせ」が電磁イオンサイクロトロン波（2:30～4:45），コーラス（4:45～7:00）を観測した時間帯に，（a），（d）で，南北両半球のレーダーが中間圏エコーを観測した。
図2. 高エネルギー電子が大気へ降り込む過程のイメージ（国立極地研究所 提供）
（1）太陽から吹く高速太陽風が地球周辺の地磁気を圧縮し，電磁イオンサイクロトロン波を成長させ，その後，（2）オーロラ爆発が発生し，宇宙空間夜側から熱い電子が朝側に運ばれ，コーラスを発生させた。これらの電磁波が宇宙空間の高エネルギー電子を磁力線に沿って極域大気に落とし，上層でオーロラを，下層で中間圏の大気電離を引き起こしたと考えられる。
【用語解説】
※1 電子ボルト
エネルギーの単位でeVと表される。1電子ボルトは1個の電子が1ボルトの電位差で加速されるときのエネルギー。1keV=1000eV。
※2 中間圏
地球の大気の層の一つで，高度約50～90kmに位置する。その下の高度約10～50kmには，オゾン層を含む成層圏がある。
※3 PANSY
昭和基地（南緯69.00°, 東経39.58°）に建設された，南極最大の大気レーダー。1045本のアンテナで構成される。上空に向けて強力な電波を発射し，大気中で散乱され戻ってきたわずかな電波（反射エコー）を検出することで，上空500kmまでの大気の風速や電子密度等を観測する。
※4 MAARSY
北極のノルウェー・アンドーヤ（北緯69.30°, 東経16.04°）に設置された大型大気レーダー。433本のアンテナから成る。PANSYレーダーと同様の大気観測を行っている。
Journal of Geophysical Research – Space Physics
研究者情報：尾崎 光紀
研究者情報：笠原 禎也
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