太陽風が火星の上層大気を奪う。地球にも起こるのか？

火星は大気を失っている

太陽風が火星の大気を宇宙へ奪っています。毎秒およそ100グラムのガスが、宇宙へ運び去られています。太陽からあらゆる方向へ流れ出す、薄い粒子の流れです。それは決して止まりません。

この浸食が、火星を今の冷たく乾いた世界にした一因かもしれません。地球も毎日、その同じ風の中にあります。では、地球でも起こるでしょうか。手がかりは彗星の青い尾です。

太陽に近づくと、彗星には光る頭部と長い尾が現れます。彗星は、凍ったガス、岩石、塵からなる宇宙の雪玉で、太陽を回っています。太陽に近づくほど、その尾は長くなります。明るい彗星には二本の尾があり、一方は淡い青で太陽から真っすぐ離れます。

彗星が太陽へ近づく時も離れる時も同じです。彗星が離れると、この尾は進行方向の前に伸びます。太陽の方向から何かが、いつもその尾を押しています。太陽には別の不思議もあります。

太陽の見えている表面は、約5,500度セルシウスです。太陽の薄い外気層コロナは、最大200万度セルシウスです。ストーブから遠いほど暑い部屋のようです。なぜ太陽の大気は、表面よりはるかに高温なのでしょうか。

科学者は何十年も議論し、今も答えを探しています。青い尾を太陽から押し続けるものは何でしょう。

何が彗星の尾を押すのか？

青い尾は彗星の二本の尾の一つです。もう一方は塵で、太陽光が太陽から離れる緩い曲線へ押します。青い尾は、電子を失って電気を帯びた原子を含むガスでできています。こうした荷電原子をイオンと呼ぶので、これはイオンの尾です。太陽から真っすぐ遠ざかるのは、イオンの尾です。

1987年のこの写真は、地球から見て空に約1,100万キロメートル伸びるウィルソン彗星のイオン尾です。1951年、ドイツの天文学者ルートヴィヒ・ビールマンは、こうした尾を調べました。太陽光では、イオン尾がこれほど速く離れる説明にならないと結論づけました。代わりに、太陽から粒子が連続して流れ出ると提案しました。

連続的とは、時々でなく常にという意味です。当時の有力説では、太陽は粒子を時々しか放出しない。太陽がなぜ粒子を吹き出し続けるのか、誰も説明できませんでした。

危うく却下されるところだった論文

1958年、シカゴ大学の31歳の助教授が、この問いに取り組みました。ユージン・パーカーです。彼は、太陽の外気層が100万度を大きく超える高温だと仮定しました。熱がガスにすることを考えましょう。

温度はガス粒子の速さの尺度です。コンロでふたをしたスープ鍋を思い浮かべてください。ふたは熱い蒸気を押し返し、閉じ込めます。太陽周辺の遠い宇宙には、これほど熱いガスを留めるほど押し返すものがありません。

宇宙にふたはない。パーカーは計算しました。答えは、全方向へ常に外向きの流れでした。流れは進むほど加速し、音速を超えます。

音速超えを超音速と呼びます。今、その流れを太陽風と呼びます。最初の答えです。太陽の外気層は熱すぎて重力では留められず、流れ去るものが太陽風です。この風が、彗星のイオンの尾を太陽と反対側へ押します。

皆が納得したわけではない。パーカーは後に、査読者に「この分野の論文を書く前に図書館で時間を過ごし学べ」と言われたと回想しました。パーカーによれば、査読者は数式の誤りを一つも指摘しませんでした。論文は二人目の査読者にも回り、同じ結果でした。

編集者は後にノーベル賞を受賞した天体物理学者スブラマニアン・チャンドラセカールでした。パーカーは、チャンドラセカールがオフィスで「本当にこの論文を発表したいか」と尋ねたと回想しました。パーカーは両査読者が実際の誤りを見つけていないと指摘し、チャンドラセカールは掲載に同意しました。数年後、チャンドラセカールは自分も懐疑的だったが、実質的反論がなく掲載せざるを得なかったと語りました。

一九五八年、アストロフィジカル・ジャーナルに、『惑星間のガスと磁場の力学』という論文が載りました。物理学者ジョセフ・チェンバレンには、対抗説がありました。彼のモデルでは、太陽の大気がゆっくり宇宙へ蒸発します。チェンバレンは、地球軌道でガスが毎秒約18キロメートルに達すると見込んでいました。

穏やかなそよ風か、超音速の風か。決着には実測が必要でした。

風を測る

最初の機会は1959年、ソ連からすぐ訪れました。ルナ一号とルナ二号には、コンスタンチン・グリンガウズのチームが作った粒子検出器が載っていました。毎秒50キロメートルより速く動く荷電粒子を検出しました。ただし粒子が来る方向は分かりませんでした。

NASAの歴史年表は今も、ルナ1号を太陽風の初測定としている。まだ決着していませんでした。1962年、NASAのマリナー2号が金星へ飛びました。別の惑星への飛行に初めて成功した宇宙機でした。

搭載装置はNASAジェット推進研究所のマーシャ・ノイゲバウアーとコンウェイ・スナイダーによるものでした。太陽から直接来る、電気を帯びたガスを、毎秒およそ四百から七百キロメートルで検出しました。チェンバレンのそよ風の20倍超です。毎秒400キロメートルなら、地球を一周しても二分未満です。

マリナー2号は、太陽風の速度、密度、成分を初めて測定しました。パーカーは「太陽風があった。24時間365日吹いていた」と言いました。チェンバレンは後に蒸発モデルを「ひどく非現実的」と呼びました。今日、太陽風は主に陽子と電子です。

電子が原子からはがれた、これほど熱いガスをプラズマと呼びます。太陽風はプラズマで、太陽から全方向へ毎日毎秒流れ出しています。

表面より高温

パーカーの答えは一点、非常に熱い外気層に基づきました。では、なぜ高温だと分かったのでしょうか。太陽の外気層、コロナを思い出してください。皆既日食では、月の黒い円盤の周りにある白い輝きとして見えます。

1869年の日食で、チャールズ・ヤングとウィリアム・ハークネスは各自コロナ光の異変を見つけました。その光を色に分けると、緑の部分に、誰にも説明できない線がありました。新元素と考え、コロニウムと呼ぶ人もいました。この謎は70年以上続きました。

1939年、ヴァルター・グロトリアンは、コロナの赤い線の一つが、電子を九個失った鉄に由来すると提案しました。1943年、スウェーデンの物理学者ベングト・エドレンは複数のコロナ線を実験室測定と対応づけました。有名な緑の線は、26個の電子のうち13個を失った鉄原子から出ます。緑の線には、ほぼ200万度のガスが必要です。

コロニウムは新元素ではありません。並外れた場所にある、普通の鉄でした。1947年、スウェーデンの物理学者ハンネス・アルヴェーンはコロナを約200万ケルビンと見積もりました。この温度では、ケルビンと摂氏の数値は、実質的に同じになります。NASAは数値をこう示します。表面は約5,500度セルシウスです。

コロナは最大200万度、核は約1,500万度です。核は太陽がエネルギーを生む場所なので高温でも当然です。外側へ行くほど、どんどん冷えると予想します。ところが表面のすぐ上で、温度は数百倍に跳ね上がります。

この熱について、もう一つあります。熱は温度でなく、粒子が実際に渡せるエネルギー量です。コロナは極めて高温ですが、密度は非常に低いのです。粒子が少なく、渡せる熱もわずかです。

線香花火の火花のようです。熱いが小さすぎて手を焼けません。

コロナを加熱するのは誰か？

なぜコロナは熱いのか。これをコロナ加熱問題と呼びます。主な候補は二つです。一つ目は、波です。太陽表面の下では、熱いガスが常にかき回されています。

太陽の磁力線を長いギター弦だと考えてください。かき回しが弦を揺らし、波をコロナへ送るかもしれません。波はそこで荷電粒子にエネルギーを渡します。同じハンネス・アルヴェーンにちなむ、アルヴェーン波です。二つ目の候補は、ナノフレアです。

フレアは太陽の突然のエネルギー噴出で、ナノフレアはごく小さいものです。ねじれた磁力線が切れ再びつながると、エネルギーを放出します。この過程は磁気リコネクションです。太陽全体の多数の小爆発は大きな熱になるかもしれません。

両方が関わるかもしれません。しかし問題があります。風は地球に着くまでに変わります。遅い太陽風は地球まで1億5,000万キロメートルを約四日で進みます。途中で混ざり、元の性質の多くを失います。

パーカー・ソーラー・プローブの科学者ヌール・ラウアフィは、コロナ内を測定せずには決してコロナ加熱問題を完全に解けないと気づいた、と語っています。そこでNASAは行くことにしました。

コロナへ飛び込む

2018年8月12日、NASAがパーカー・ソーラー・プローブを打ち上げました。存命者を冠したNASA初のミッションでした。91歳のユージン・パーカーは、チームと打ち上げを見守りました。生き延びるには、探査機は熱シールドの後ろを飛びます。

シールドの前面は摂氏約1,370度になりますが、背後の機器は摂氏約29度に保たれます。理由の一つは、コロナが極めて高温でも非常に薄いことです。2021年4月28日、八回目の接近で、探査機は初めてコロナに入りました。NASAは、宇宙機が「太陽に触れた」と発表しました。

実際に越えたのは、目に見えない境界、アルヴェーン臨界面です。その内側では、太陽の重力と磁場が大気を留めています。外側では風が速すぎて、波は太陽へ戻れません。風は自由に流れ出します。太陽大気の外縁と考えられます。

それでも太陽表面から約1,300万キロメートル上でした。2024年12月24日、太陽表面から610万キロメートルまで接近し、人類製の物体で史上最も近づきました。時速約六十九万キロメートルで飛行し、人類が作った物体で最速です。接近を繰り返し、2026年9月4日には29回目の最接近をしました。

ミッションは2029年まで延長されています。WISPRは、太陽を離れる太陽風を史上最も近くで撮影しました。NASA科学責任者ニッキー・フォックスは「モデルだけでなく目で、地球への宇宙天気の脅威の始まりを見ている」と語りました。ユージン・パーカーは全てを見届けず、2022年3月に94歳で亡くなりました。

宇宙機は何を見つけたのでしょうか。パーカー・ソーラー・プローブは、太陽近くの風に磁場の突然の折れ曲がりが満ちると発見しました。磁場はS字に鋭く曲がり、跳ね戻ります。スイッチバックです。2022年3月25日、欧州宇宙機関とNASA運用のソーラー・オービターが、その一つを初撮影しました。

Metisは太陽の明るい円盤を隠し、周囲の淡いコロナを見る装置です。写真は、宇宙へ開く磁力線が太陽へ戻るループ線と出会い、再結合するモデルに合いました。科学者は、この過程が太陽風を加速させる可能性を示しています。ソーラー・オービターは2020年公開の最初の画像で別のものも見つけました。

太陽各地の小さな閃光を、チームは「キャンプファイヤー」と呼びました。地球から見える太陽フレアの100万分の一から10億分の一です。チームのフレデリック・オシェールは「太陽コロナ加熱への最大の寄与かもしれない」と述べました。かもしれない。まだ誰も示していませんでした。

次は速い風です。コロナホールというコロナの暗い領域から出ます。コロナホールは、磁場が太陽へ戻らないコロナの暗い領域です。だから風は真っすぐ流れ出せます。2023年、スチュアート・ベール率いるチームはParker Solar Probeで高速風の発生源近くを調べました。風は小流として届き、その間隔は太陽表面の上昇下降ガスの巨大セルに似ていました。

それぞれの幅は、およそ六万キロメートルでした。速い風のエネルギーは磁気リコネクションから来ると結論づけました。それはコロナホールの根元で起こり、究極的には太陽磁場から来ます。2024年、別のチームが同じ風の流れを二度捉えました。

2022年2月、パーカー・ソーラー・プローブが太陽近くでこの流れを測定し、ソーラー・オービターは金星軌道近くで同じ流れを測定しました。二地点の間で、風のアルヴェーン波はエネルギーを失っていました。波が失ったエネルギーは高速風の加熱と加速に十分だと計算しました。

ただし一つの事象で、他の研究者も指摘しました。2024年の別研究は、コロナ内の完全形成スイッチバックを探したが、見つけませんでした。そのため形成場所を正確に言いにくくなります。2023年、欧州宇宙機関は、コロナの加熱は「今も激しく議論されています」とまとめました。

手がかりはそろいつつありますが、コロナ加熱問題は未解決です。波と小爆発がそれぞれ一部を担うかもしれません。

高速風、低速風、そしてスパイラル

太陽を離れると、風はすべて同じ速さでは吹きません。コロナホールからの速い風は、毎秒500から800キロメートルで動きます。地球軌道の近くでは、最も一般的なのは遅い風で、毎秒約400キロメートルです。太陽が静かなとき、通常は各極の上に大きなコロナホールがあります。

ユリシーズ探査機は、太陽の極の高い上空を飛び、そこで速い風を平均毎秒約750キロメートルと測定し、赤道近くの遅い風は毎秒約400キロメートルでした。速い風が遅い風に追いつくと、そこへ積み重なります。強い磁場を持つ高密度領域ができ、共回転相互作用領域と呼ばれます。

これが地球を通り過ぎると、地磁気嵐を起こすことがあります。それは地球の磁場の乱れで、たいていは小規模か中規模です。風は太陽の磁場も外へ運びます。そして太陽は、およそ27日に一回、自転します。

回る庭のスプリンクラーのようです。一滴は真っすぐ飛んでも、流れ全体はらせんに曲がります。太陽の磁場も、同じようならせんに巻かれます。地球近くでは、磁力線は平均で約45度の角度で風の道筋を横切ります。パーカーは1958年の理論でこのらせんを予測し、パーカーらせんと呼ばれます。

太陽系を包む泡

太陽風はどこまで届くのでしょう。全惑星を越え、星間の薄いガスにぶつかるまでです。途中で太陽の周りに巨大な泡を吹き、太陽圏と呼ばれます。距離は天文単位で測ります。ひとつの天文単位は、地球と太陽の距離、約一億五千万キロメートルです。

2004年12月、ボイジャー1号は太陽から約94天文単位で、終端衝撃波を越えました。そこで風は外のガスを押し始め、急に遅くなります。2012年8月25日、ボイジャー1号は約122天文単位で、泡の端ヘリオポーズを越えました。それは、私たちより太陽から122倍遠い場所です。

ただしボイジャー1号のプラズマ装置は1980年に停止し、直接測れませんでした。ボイジャー2号は動作していました。2018年11月5日、太陽風の速度が急落したことを記録しました。その後、太陽風は全く検出されませんでした。

ボイジャー2号は太陽風を抜け、恒星間空間へ出ていました。太陽風の終点は太陽系の端を描く一つの方法です。

地球の盾とオーロラ

毎日この風の中にいる地球へ、戻りましょう。地球には方位磁針の針を北へ向ける磁場があります。太陽風はその磁場を押し、惑星の周りに磁気圏という守られた空間を形作ります。太陽に向いた側では風が押し縮め、夜側では長い尾へ引き伸ばします。

よくある説明では、オーロラは太陽風粒子が大気へ直に落ちる現象です。米国の気象と海洋機関NOAAは、別に説明します。オーロラを作る電子は、地球の夜側の長い尾でエネルギーを得ます。それらは磁力線に沿って、極地へ駆け下ります。

そこで高度80から500キロメートルで、電子が酸素や窒素にぶつかり原子が光ります。太陽風はエネルギー源ですが、ただ降るのではありません。大規模な嵐の間は、極を囲むオーロラの輪が外へ広がり、極からずっと遠い場所でも見えます。2024年5月、市民科学プロジェクト「オーロラサウルス」へ55か国から6,000件超の報告が寄せられました。

日本では観察者が珍しいマゼンタのオーロラを撮影しました。

風が嵐になるとき

2024年5月の嵐は日常の太陽風が原因ではありませんでした。ときにコロナは、プラズマと磁場の巨大な雲を一度に放出します。これをコロナ質量放出（CME）と呼びます。太陽風が一定の風なら、CMEは突然の突風です。

最も速いものは、わずか15から18時間で地球に届きます。CMEが当たると地球磁場を激しく揺らします。これも地磁気嵐で、たいていもっと強力です。海洋大気局は、嵐を軽微なジー一から極端なジー五までで評価します。1859年9月1日、リチャード・キャリントンとリチャード・ホジソンは太陽の白い閃光を見ました。

これは、普通の白色光で誰かが観測した初の太陽フレアでした。およそ十七時間後、大きな嵐が地球を襲い、九月二日から三日にかけて空はオーロラで満ちました。当時、世界には約20万キロメートルの電信線があり、その大部分は八時間以上使えませんでした。1989年3月13日、午前2時44分、嵐がカナダ・ケベック州の送電網を襲いました。

一分もたたず、送電網全体が停止しました。数百万人が、九時間を超えて停電しました。モントリオール地下鉄は止まり、オーロラはフロリダやキューバまで見えました。ケベック州の大部分は、電流を通しにくい硬い岩石の巨大な楯状地の上にあります。嵐の間、

地面を流れた電流は、より通りやすい長い送電線を通りました。2022年2月3日、SpaceXがスターリンク49機を打ち上げました。高度約210キロメートルまで下がる低軌道へ放出されました。翌日、地磁気嵐で上層大気が熱せられ、膨張しました。

濃くなった空気で衛星の抗力は、それまでより最大50パーセント増しました。SpaceXは49機中最大40機が落下、燃焼すると発表し、後の追跡は38機でした。2024年5月10日、20年以上で最も強い嵐が到来しました。アメリカ海洋大気局の尺度では最上位のジー五で、二十年以上ぶりでした。

現在は宇宙天気科学者ジェニファー・ガノンにちなみ、ガノン嵐と呼ばれます。米国中西部では、GPS誘導トラクターの一部が植え付け中に進路を外れたり止まったりしました。カンザス州立大の分析では、GPS誘導頼みの農場は約1万2千から1万7千米ドルを失った可能性があります。NASAのアイスサット二号衛星は、保護用の安全モードに自動で移行しました。

二千二十六年十月十日、二日前に太陽を離れたコロナ質量放出が地球に到達しました。その晩、NOAAはG3、つまり強い地磁気嵐を報告しました。太陽活動は約11年の周期で上下し、現在の周期は2024年10月にピークを迎えました。2019年、予報官は弱いピークを予測したが、実際ははるかに強かった。

15分から60分

嵐が来るのを見通せるでしょうか。地球と太陽の間に、宇宙機が太陽と一直線を保てる場所があります。地球から約150万キロメートルです。ラグランジュ点L1と呼ばれます。そこにある衛星は太陽風が私たちに届く前に出会います。

そこにある宇宙機は通常、15から60分の警報時間を与えます。長年、アメリカ海洋大気局のディスカバー衛星がこの役目を担いましたが、二千二十六年六月に同局は新しい衛星へ切り替えました。その宇宙機は二千二十五年九月二十四日に打ち上げられ、今はソーラー・ワンと呼ばれています。2026年6月、宇宙天気監視だけのために作られた米国初の衛星として正式運用を始めました。

太陽円盤を隠してコロナを見るコロナグラフは、CME画像を30分以内に予報官へ送れます。旧型SOHOでは、画像が予報官へ届くまで最大八時間かかります。NOAA宇宙天気予報センター長クリントン・ウォレスは「対応時間が増える」と端的に言いました。

太陽風が火星から奪うもの

始まりの場所、火星へ戻りましょう。火星には全球規模の磁場がありません。そのため太陽風は上層大気に直接達し、荷電粒子を宇宙へ運び去ります。2015年、NASAのメイブン計画は毎秒約100グラムのガス損失を測定しました。

太陽嵐の間は、損失が大きく増えます。メイブン主任科学者ブルース・ジャコスキーは、毎日レジから数枚の硬貨を盗まれるように、やがて積み上がると例えました。何十億年もの間に、これが火星を湿った世界から薄い大気しかない冷たく乾いた惑星へ変えた一因かもしれません。地球も同じように大気を失うでしょうか。磁場が守ると言いたくなります。

異論を唱える科学者もいます。2018年の研究は測定を比べ、地球、火星、金星の大気損失率は似ると見つけました。金星には全球磁場がないのに、非常に厚い大気があります。著者たちは、磁場だけでは大気を守るには不十分で、

場合によっては極付近でガスが逃げるのを助ける可能性すらあると論じました。火星は小さく重力も弱い。磁気の盾は一部にすぎないかもしれません。

では、太陽風とは何か？

太陽風とは、何でしょうか。太陽自身の大気です。とどまれないほど熱く、毎秒数百キロメートルで全方向へ流れ出します。誰も知らぬ前から彗星の尾を押していました。若い物理学者が予測し、二人の査読者は退け、金星へ向かう宇宙機が測りました。

らせんを描き、惑星の先に泡を吹き、空を光らせ、火星の大気をゆっくりはぎ取ります。どこから来るのか。下の表面より数百倍高温のコロナからです。科学者は、コロナを繰り返し通る探査機の助けで、今も理由を解こうとしています。次に彗星を見たら、淡い青い尾を探してください。太陽が吹き続けるから、尾は太陽から遠ざかる方を指します。