明滅オーロラとともに起こるオゾン破壊 ~宇宙からの高エネルギー電子が大気に及ぼす影響を実証~

金沢大学の笠原禎也教授および国立大学法人東海国立大学機構名古屋大学宇宙地球環境研究所らの国際研究グループは,宇宙のさえずりと呼ばれる特殊な電波によって,脈動オーロラと呼ばれる明るさが明滅するオーロラが発生した時に,オーロラを起こす電子よりも1000倍以上のエネルギーを持つバン・アレン帯(放射線帯)の高エネルギー電子が高さ60キロメートル(km)付近の中間圏にまで侵入することによって,中間圏のオゾンが10%以上減少することを発見しました。

この過程は,本研究グループによって理論的に予測されていたもので,今回,宇宙航空研究開発機構(JAXA)「あらせ」衛星と北欧に設置されている欧州非干渉散乱 (EISCAT) レーダー,およびオーロラ観測ネットワークによる国際共同観測と,本研究グループが開発したシミュレーションを組み合わせた研究によって実証されました。

この成果は,オーロラに伴う宇宙からの電子降り込みが,超高層大気(※1)だけでなく中層大気(※2)にも大きな影響を及ぼしていることを実証するものです。中間圏(※3)オゾンの変化は,気候変化にも影響を及ぼすことが指摘されている重要な過程であり,本研究の成果は,宇宙と地球大気との関係の新たな理解につながるという意義を持っています。

2023年度からは,国立極地研究所や名古屋大学などが参加するEISCAT科学協会によって,次世代の大型大気レーダーEISCAT_3Dの北欧での運用が開始され,宇宙と地球大気との結合過程の理解がさらに進むことが期待されます。

本研究成果は,2021年7月13日19時(日本時間)に英国科学誌『Scientific Reports』に掲載されました。

 

 

図1. 本研究の概要

宇宙空間で「あらせ」衛星が「コーラス」電波とバン・アレン帯電子の観測を行い,地上では EISCATと光学観測によって,「脈動オーロラ」と中間圏の観測を行った。

図2


上:「あらせ」衛星による「コーラス」電波の観測。数百ヘルツから数キロヘルツで見えている強い電波(黄色や赤色)が「コーラス」電波。
下:「あらせ」衛星による宇宙の電子の観測。数十キロ電子ボルトのエネルギーの電子が脈動オーロラを起こす。一方,数百キロ電子ボルト-数メガ電子ボルトのエネルギーの電子は,バン・アレン帯電子。

 

図3


上:EISCAT VHFレーダーによる高さ60kmから120kmまでの電子の観測。色が赤いほど,電子の量が多く,宇宙から電子が降ってきていることを示している。
下:高さ60kmから120kmまでのオゾンの変化。宇宙からの電子の降り込みによって,高さ80km付近のオゾンの量が10%以上減少していることがわかる。

 

 


【用語解説】 

※1 超高層大気
熱圏,また電離大気である電離圏領域を指す。オーロラが発光しているのも超高層大気である。

※2 中層大気
成層圏と中間圏,および熱圏底部を含む領域であり,高度15km付近から100km付近までをさす。中層大気は,湿潤過程(雲など)や電磁現象(オーロラなど)を含むことなく扱える領域となる。

※3 中間圏
高度45kmから85km付近に存在する大気の層であり,成層圏(高度15-45km)と熱圏(85km以上)の間に位置する。

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