オーロラ

オーロラ^[a]（複数形はauroraeまたはauroras）^[b]は 、一般的には北極光（aurora borealis）または南極光（aurora australis）[c]としても知られ、地球の空に現れる自然の光^の現象で、主に高緯度地域（北極と南極の周辺）で見られます。オーロラは、カーテン、光線、渦巻き、またはダイナミックなちらつきとして現れる鮮やかな光のダイナミックなパターンを空全体に広げます。^[3]

オーロラは、太陽風によって引き起こされる地球の磁気圏の擾乱の結果です。主な擾乱は、コロナホールとコロナ質量放出による太陽風の速度の増大によって生じます。これらの擾乱は、磁気圏プラズマ内の荷電粒子の軌道を変更します。これらの粒子、主に電子と陽子は、上層大気 (熱圏/外気圏) に沈殿します。その結果、大気成分がイオン化および励起され、さまざまな色と複雑さの光を発します。両極域の周囲の帯状に発生するオーロラの形状は、沈殿粒子に与えられた加速の量にも依存します。

太陽系の惑星のほとんど、いくつかの天然衛星、褐色矮星、さらには彗星でもオーロラが発生します。

オーロラという用語は、1619年にガリレオによって造られたもので、ローマ神話 の暁の女神オーロラとギリシャ神話 の冷たい北風の神ボレアスに由来している。^{[4] [5]}

オーロラという言葉は、東から西へ旅して太陽の到来を告げたローマ神話の暁の女神オーロラの名前に由来しています。^[6]古代ギリシャの詩人は、対応する名前エオスを夜明けの比喩として使い、暗い空に広がる色の遊びについてよく言及しています（例：「バラ色の指の夜明け」）。^[7]

borealisとaustralisという言葉は、ギリシャ・ローマ神話の北風 ( Boreas ) と南風 ( Auster )の古代の神の名前に由来しています。

ほとんどのオーロラは「オーロラ帯」と呼ばれる帯状の領域で発生します。^[8]オーロラ帯は通常、緯度で 3°～6° (約 330～660 km)、地磁気極からのすべての現地時間 (または経度) で 10°～20° の範囲にあり、暗い夜空を背景に最もはっきりと見えます。現在オーロラが見られる領域は「オーロラオーバル」と呼ばれ、太陽風によって地球の夜側にずれた帯状の領域です。北極自体のオーロラは北極海上にあるためまれですが、南極自体のオーロラは非常に一般的で、必ず見ることができます。^[9]地磁気との関連を示す初期の証拠は、オーロラ観測の統計から得られます。エリアス・ルーミス（1860年）^[10]、その後ヘルマン・フリッツ（1881年）^[11]とソフス・トロムホルト（1881年）^[12]はより詳細に、オーロラは主にオーロラ帯に現れることを証明した。

北半球では、この現象はオーロラまたは北極光として知られています。南半球の現象であるオーロラ・オーストラリスまたは南極光は、オーロラとほぼ同じ特徴を持ち、北半球のオーロラ帯の変化と同時に変化します。^{[13]オーロラ・オーストラリスは、}南極大陸、南半球コーン、南アフリカ、オーストラレーシアの高南緯から見ることができ、例外的な状況下でははるか北はウルグアイでも見ることができます。^{[14]オーロラは、}アラスカ、カナダ、アイスランド、グリーンランド、フェロー諸島、スカンジナビア、スコットランド、ロシアなど、北極圏周辺の地域から見ることができます。まれに、オーロラははるか南の地中海や米国南部の州でも見ることができます。史上最大の磁気嵐であったカリントン・イベントの際には、熱帯地方でもオーロラが見られました。

磁気嵐によりオーロラの楕円（北と南）が拡大し、オーロラが低緯度にまで広がります。オーロラの瞬間的な分布（「オーロラの楕円」）^[8]は若干異なり、磁極から夜側に約3～5°の位置に中心があるため、オーロラの弧は、観測者と太陽の間に磁極があるときに赤道に向かって最も遠くまで伸びます。オーロラは、この時間帯に最もよく見え、磁気真夜中と呼ばれます。

オーロラオーバル内で見られるオーロラは、真上にある場合があります。遠くから見ると、オーロラは極地の地平線を緑がかった輝き、時には淡い赤として照らし、まるで太陽が通常とは異なる方向から昇っているかのように見えます。オーロラは、オーロラ帯の極側でも拡散した斑点または弧として発生し、^[15]目に見えないこともあります。

オーロラは、地磁気嵐によってオーロラの楕円が一時的に拡大したときに、オーロラ帯より下の緯度で時折見られる。大規模な地磁気嵐は、11 年周期の太陽黒点のピーク時またはピーク後の 3 年間に最もよく発生する。^{[16] [17]}電子は、その速度ベクトル (それぞれ、局所的な地磁気ベクトル B に平行および垂直) によって決まる角度で磁力線の周りを螺旋状に回転する (旋回する)。この角度は、粒子の「ピッチ角」として知られている。任意の時点における電子の磁力線からの距離、つまり半径は、そのラーモア半径として知られている。ピッチ角は、電子が大気に近い、より強い磁力の領域に移動するにつれて増加する。したがって、大気圏に入る前に角度が 90° になると、一部の粒子が大気圏に戻って高密度の分子と衝突する可能性がある。反射しない他の粒子は大気圏に入り、さまざまな高度でオーロラの出現に寄与する。宇宙から観測されたオーロラには、他にもさまざまな種類があります。たとえば、極冠を横切って太陽に向かって伸びる「極向きアーク」、それに関連する「シータオーロラ」^[18]、正午近くの「昼側アーク」などです。これらは比較的まれで、よく理解されていません。脈動オーロラ、「ブラックオーロラ」、さらにまれな「アンチブラックオーロラ」、目に見えない赤いアークなど、興味深い現象も発生します。これらに加えて、2 つの極カスプ、つまり地球を通過する磁力線と尾に流されて遠くで閉じる磁力線を分ける磁力線の周囲に、弱い輝き (多くの場合、深紅色) が観測されます。

オーロラの画像化に関する初期の研究は、1949年にサスカチュワン大学でSCR-270レーダーを使用して行われました。^[19]オーロラの放射が発生する高度は、カール・ストルマーと彼の同僚によって明らかにされました。彼らはカメラを使用して12,000以上のオーロラを三角測量しました。^[20]彼らは、ほとんどの光が地上90〜150 km（56〜93マイル）の間で生成され、時には1,000 km（620マイル）以上まで広がることを発見しました。

クラーク（2007）によると、地上から見える主な形態は、最も見えにくいものから最も見えやすいものの順に5つある。^[21]

• 地平線近くの穏やかな輝き。これらは視界の限界に近いこともありますが^[22] 、輝きを通して星が減ることなく見えるため、月明かりの雲と区別できます。
• 雲のように見える斑点または表面。
• 空を横切って弧が描かれます。
• 光線は、さまざまな量で上方に伸びる、弧を描いた明るい縞と暗い縞です。
• コロナは空の大部分を覆い、空上の一点から広がります。

ブレッケ（1994）は、オーロラを「カーテン」と表現した。^[23]カーテンとの類似性は、アーク内の襞によってさらに強調されることが多い。アークは断片化したり、ばらばらになったりして、時には急速に変化し、空全体を覆うこともある光線状の現象になることがある。これらは離散オーロラとしても知られ、夜に新聞が読めるほど明るいこともある。^[24]

これらの形状は、オーロラが地球の磁場によって形作られることと一致しています。アーク、光線、カーテン、コロナの外観は、大気の発光部分の形状と観測者の位置によって決まります。^[25]

• 赤: 最高高度では、励起された原子酸素は 630 nm (赤) で放射します。原子の濃度が低く、この波長に対する目の感度が低いため、この色は太陽活動が激しい場合にのみ見えます。酸素原子の数が少なく、その濃度が徐々に減少するため、「カーテン」の上部がかすかに見えます。緋色、深紅色、カーマイン色は、オーロラで最もよく見られる赤色です。
• 緑: 高度が低いほど、衝突の頻度が高くなるため、630 nm (赤) モードは抑制され、557.7 nm の放射 (緑) が優勢になります。原子酸素の濃度がかなり高く、緑色に対する目の感度が高いため、緑色のオーロラが最も一般的です。励起された分子窒素 (原子窒素は N ₂分子の安定性が高いためまれです) がここで役割を果たします。これは、衝突によって酸素原子にエネルギーを伝達し、その後、緑の波長でエネルギーを放射するためです (赤と緑が混ざり合ってピンクや黄色の色合いになることもあります)。高度約 100 km 未満で原子酸素の濃度が急激に減少するため、カーテンの下端が急に終わっているように見えます。557.7 nm と 630.0 nm の波長はどちらも原子酸素の禁制遷移に対応しており、これがフレアとフェーディングの緩やかな (それぞれ 0.7 秒と 107 秒) 原因となるゆっくりとしたメカニズムです。

• 青: さらに低い高度では、原子状酸素は珍しく、分子状窒素とイオン化分子状窒素が可視光線の放出を担い、スペクトルの赤と青の両方の部分で多数の波長を放射し、428 nm (青) が優勢です。青と紫の放射は、通常「カーテン」の下端で発生し、太陽活動の最高レベルで現れます。^[26]分子状窒素の遷移は、原子状酸素の遷移よりもはるかに高速です。
• 紫外線：オーロラからの紫外線放射（可視光線の範囲内だが、事実上すべての人間には見えない^{）は、必要な機器で観測されています。紫外線オーロラは、火星、 [27]}木星、土星でも観測されています。
• 赤外線：光学窓内の波長の赤外線も多くのオーロラの一部です。^{[27] [28]}
• 黄色とピンクは、赤と緑または青の混合色です。他の赤の色合い、オレンジと金色もまれに見られますが、黄緑は比較的よく見られます。^{[説明が必要]}赤、緑、青は線形独立色であるため、加法合成により、理論的には人間が知覚するほとんどの色を生成できますが、この記事で言及されている色は、事実上網羅的なリストを構成しています。

オーロラは時間とともに変化し、夜の間に輝きから始まりコロナへと進んでいきますが、コロナに達しないこともあります。オーロラは逆の順序で消えていく傾向があります。^[23] 1963年頃までは、これらの変化は太陽に対して一定のパターンで地球が自転しているためだと考えられていました。その後、さまざまな場所のオーロラの全天フィルム（国際地球観測年中に収集）を比較することで、オーロラはオーロラサブストームと呼ばれるプロセスで地球規模の変化を頻繁に起こすことがわかりました。数分のうちに、オーロラオーバル全体に沿った静かな弧からダークサイドに沿った活発な表示に変化し、1～3時間後に徐々に元に戻ります。^{[29]オーロラの経時的な変化は、一般的に}ケオグラムを使用して視覚化されます。^[30]

より短い時間スケールでは、オーロラは外観と強度を変化させる可能性があり、非常にゆっくりと変化することもありますが、時には気づきにくいほどに変化し、また時には1秒未満にまで急速に変化します。^[24]脈動オーロラ現象は、通常2～20秒周期の短い時間スケールでの強度変化の一例です。このタイプのオーロラは、通常、青色と緑色の放射のピーク放射高度が約8kmに減少し、平均以上の太陽風速度（約500km/s）を伴います。^[31]

さらに、オーロラとそれに伴う電流は、1972年に発見されたオーロラキロメートル放射（AKR）として知られる150kHz付近の強い電波放射を生み出します。 ^[32]電離層吸収のため、AKRは宇宙からしか観測できません。オーロラに関連する粒子から発生するX線放射も検出されています。^[33]

パチパチという音に似たオーロラノイズは、地球の表面から約70メートル（230フィート）の高さで始まり、寒い夜に形成された大気の逆転層内の荷電粒子によって引き起こされます。太陽からの粒子が逆転層に当たると荷電粒子が放電し、ノイズが発生します。^{[34] [35]}

2016年、50以上の市民科学観測により、彼らにとって未知のタイプのオーロラが描写され、彼らはそれを「強い熱放射速度増強」の頭文字をとって「スティーブ」と名付けた。スティーブはオーロラではなく、高度450km（280マイル）にある幅25km（16マイル）の熱いプラズマのリボンによって引き起こされ、温度は3,000℃（3,270 K; 5,430 °F）、速度は6km/s（3.7マイル/秒）（リボンの外側では10m/s（33フィート/秒））である。^[36]

STEVEを引き起こすプロセスはピケットフェンスオーロラとも関連しているが、後者はSTEVEがなくても見られる。^{[37] [38]}これは大気中の電子の沈殿によって引き起こされるためオーロラであるが、オーロラオーバルの外側に現れ、^[39]典型的なオーロラよりも赤道に近い。 ^[40]ピケットフェンスオーロラがSTEVEと一緒に現れるときは、下になる。^[38]

2020年に初めて報告され^{[41] [42]}、2021年に確認された^{[43] [44]}砂丘オーロラ現象は、フィンランドの市民科学者によって発見されました^[45]。これは、緑色の拡散オーロラの中に規則的に並んだ明るい放射の平行な縞で構成されており、砂丘のような印象を与えます。^{[46]この現象は、}電子降下が存在する中間圏の反転層を通過する導波管内を水平に移動する大規模な大気波によって原子酸素密度が変調されることによって引き起こされると考えられています。^[43]

ホースカラーオーロラ（HCA）は、夜明けと夕暮れの間にオーロラ楕円が極方向に移動し、極冠が涙滴型になるオーロラ現象である。これらは、惑星間磁場（IMF）が恒常的に北向きである期間、つまりIMF時計角が小さいときに形成される。その形成は、ダブルローブリコネクション（DLR）による昼側磁気圏上部の磁束の閉鎖と関連している。HCA現象は、季節に関係なく月に約8回発生し、IMFは北向きから30度以内にある必要がある。^[47]

共役オーロラは、北半球と南半球の同じ地磁気線上の共役点で見られる、ほぼ正確な鏡像オーロラである。これらは通常、太陽に対する北磁極と南磁極の向きにほとんど差がない春分と秋分の時期に発生する。1967年、1968年、1970年、1971年にアラスカとニュージーランドの航空機で共役オーロラを撮影する試みが行われ、ある程度の成功を収めた。^[48]

さまざまな種類のオーロラを引き起こす物理的プロセスを完全に理解することはまだ不完全ですが、基本的な原因は太陽風と地球の磁気圏の相互作用です。太陽風の強度の変化によって、さまざまな大きさの影響が生じますが、次の物理的シナリオの 1 つ以上が含まれます。

1. 地球の磁気圏を流れる静止した太陽風は、地球の磁気圏と絶えず相互作用し、太陽風粒子を、反対側の半球では「閉じている」のとは対照的に「開いている」地磁気線に直接注入し、バウショックを通じて拡散をもたらす。また、放射線帯にすでに閉じ込められている粒子を大気中に沈殿させることもできる。放射線帯から粒子が大気中に失われると、静穏状態では、新しい粒子がゆっくりとしか置き換わらず、ロスコーンが枯渇する。しかし、磁気圏尾部では、粒子の軌道が絶えず入れ替わっているように見える。これはおそらく、粒子が赤道付近の非常に弱い磁場を横切るときである。その結果、その領域での電子の流れはすべての方向でほぼ同じ（「等方性」）であり、漏れる電子の安定した供給が保証される。電子が漏れても尾部は正に帯電しない。なぜなら、大気中に失われた漏れた電子は、電離層から上方に引き寄せられた低エネルギー電子に置き換わるからである。このような「熱い」電子の「冷たい」電子による置換は、熱力学の第二法則と完全に一致しています。地球の周囲に電気的なリング電流も生成するこのプロセス全体は不確かです。
2. 太陽風の強化による地磁気の乱れは、磁気尾部の歪み(「磁気サブストーム」) を引き起こします。これらの「サブストーム」は、惑星間磁場が南向きの成分をかなり強く持つ期間 (数時間単位) が長く続いた後に発生する傾向があります。これにより、磁気線と地球の磁力線との相互接続率が高まります。その結果、太陽風は磁束(磁力線の管で、その内部のプラズマと「固定」されている) を地球の昼側から磁気尾部に移動させ、太陽風の流れに対する障害を広げ、夜側の尾部を狭めます。最終的に、尾部のプラズマの一部は分離し (「磁気再結合」)、一部の塊 (「プラズモイド」) は下流に押し出され、太陽風とともに運び去られます。その他の塊は地球に向かって押し出され、その動きが主に真夜中頃にオーロラの強力な爆発を引き起こします (「アンロード プロセス」)。より大きな相互作用によって生じる磁気嵐は、地球の周囲に閉じ込められたプラズマにさらに多くの粒子を追加し、「リング電流」の増強も引き起こします。場合によっては、地球の磁場の変化が非常に強くなり、オーロラ帯よりも赤道にずっと近い磁力線上で中緯度で見えるオーロラが発生することがあります。

   

3. オーロラの荷電粒子の加速は、必ずオーロラの原因となる磁気圏の擾乱を伴います。このメカニズムは、主に磁場に沿った強い電場または波動粒子の相互作用から生じると考えられており、誘導磁場の方向への粒子の速度を上げます。これによりピッチ角が減少し、粒子が大気中に放出される可能性が高くなります。地磁気擾乱が大きいときに生成される電磁波と静電波の両方が、オーロラを維持するエネルギー生成プロセスに大きく貢献しています。粒子の加速は、太陽風のエネルギーを間接的に大気中に伝達するための複雑な中間プロセスを提供します。

これらの現象の詳細は完全には解明されていない。しかし、オーロラ粒子の主な発生源は、放射線帯と地磁気によって一時的に磁気的に閉じ込められた粒子を含む貯蔵庫である磁気圏に供給される太陽風であり、粒子加速プロセスと結びついていることは明らかである。^[49]

大気成分のイオン化と励起によるオーロラ放射の直接の原因は、1960年にカナダのフォート・チャーチルからの先駆的なロケット飛行により、上空から大気圏に流入する電子の流れが明らかになったことで発見されました。^[50]それ以来、1960年代からロケットや衛星を使ってオーロラ帯を横断する多くの研究チームにより、膨大な量の測定が苦労して行われ、解像度は着実に向上してきました。主な発見は、オーロラアークやその他の明るい形状は、大気圏に突入する最後の数万kmの間に加速された電子によるものであるというものでした。^[51]これらの電子は、常にではないものの、多くの場合、エネルギー分布にピークを示し、磁場の局所的な方向に沿って優先的に整列します。

対照的に、拡散オーロラと脈動オーロラの主な原因である電子は、滑らかに下降するエネルギー分布と、局所磁場に垂直な方向を好む角度（ピッチ角）分布を持っています。脈動は、オーロラ帯の磁力線の赤道交差点またはその近くで発生することが発見されました。^[52]陽子も、離散的オーロラと拡散オーロラの両方に関連しています。

オーロラは、地球の上層大気、高度80km（50マイル）以上での光子放出、イオン化した窒素原子が電子を取り戻し、酸素原子と窒素系分子が励起状態から基底状態に戻ることによって発生します。^[53]オーロラは、大気中に沈殿した粒子の衝突によってイオン化または励起されます。入射する電子と陽子の両方が関与している可能性があります。励起エネルギーは、光子の放出、または他の原子や分子との衝突によって大気中で失われます。

酸素排出量

吸収されたエネルギーの量に応じて、緑色またはオレンジ赤色になります。

窒素排出量

青、紫、赤。分子がイオン化された後に電子を取り戻す場合は青と紫、励起状態から基底状態に戻る場合は赤。

酸素は基底状態に戻るという点で特殊です。557.7 nm の緑色の光を放出するのに 0.7 秒かかり、630.0 nm の赤色の光を放出するには最大 2 分かかります。他の原子または分子との衝突により励起エネルギーが吸収され、放出が妨げられます。このプロセスは衝突消光と呼ばれます。大気の最も高い部分には酸素の割合が高く、粒子密度が低いため、このような衝突はまれであり、酸素が赤色の光を放出する時間があります。密度の増加により大気の下方に進むにつれて衝突はより頻繁になり、赤色の放出が起こる時間がなく、最終的には緑色の放出さえも妨げられます。

このため、高度によって色に差が生じます。高度が高いと酸素の赤が優勢になり、次に酸素の緑、窒素の青/紫/赤となり、最後に衝突により酸素が何も放出されなくなると窒素の青/紫/赤になります。緑が最も一般的な色です。次にピンク、薄緑と赤の混合、次に純粋な赤、次に黄色 (赤と緑の混合)、最後に純粋な青となります。

降下する陽子は、通常、大気から電子を獲得した後、入射する水素原子として発光する。陽子オーロラは通常、低緯度で観測される。 ^[54]

明るいオーロラは一般にビルケランド電流(Schield et al., 1969; ^[55] Zmuda and Armstrong, 1973 ^[56] ) と関連しており、これは極の一方の側で電離層に流れ込み、もう一方の側から流れ出る。電流の一部は中間で電離層 E 層 (125 km) に直接接続し、残り (「領域 2」) は迂回し、再び赤道に近い磁力線を通って出て、磁気的に閉じ込められたプラズマによって運ばれる「部分リング電流」で閉じる。電離層は抵抗導体であるため、このような電流には駆動電圧が必要であり、これはまだ特定されていないダイナモ機構によって供給できると考える人もいる。極冠上空の軌道上の電界プローブは、40,000 ボルト程度の電圧を示しており、激しい磁気嵐の際には 200,000 ボルト以上に上昇する。別の解釈では、電流は波と粒子の相互作用によって大気中への電子の加速の直接的な結果です。

電離層抵抗は複雑な性質を持ち、二次ホール電流の流れにつながる。奇妙な物理学上のひねりにより、主電流による地上の磁気擾乱はほぼ相殺されるため、オーロラの観測される効果のほとんどは二次電流、オーロラ電気ジェットによるものである。オーロラ電気ジェット指数（ナノテスラで測定）は地上データから定期的に導出され、オーロラ活動の一般的な尺度として役立つ。クリスチャン・ビルケランド^[57]は、電流がオーロラアークに沿って東西方向に流れていると推測し、昼側から（およそ）真夜中に向かって流れるそのような電流は後に「オーロラ電気ジェット」と名付けられた（ビルケランド電流も参照）。電離層は、夜間および暗い冬半球で観測される高電離層抵抗条件下でのフィードバック不安定性を介してオーロラアークの形成に寄与する可能性がある。^[58]

地球は絶えず太陽風に浸かっている。太陽風は、太陽の最外層であるコロナの200万度の温度によって、あらゆる方向に放射される磁化された高温プラズマ（自由電子と陽イオンのガス）の流れである。太陽風は、通常約400 km/sの速度、約5イオン/cm 3の密度、約2～5 nTの磁場強度で地球に到達します（比較すると、地球の表面の磁場は通常30,000～50,000 nTです）。特に磁気嵐の間は、流れが数倍速くなることがあります。惑星^間磁場（IMF）もはるかに強くなることがあります。ジョーン・ファインマンは1970年代に、太陽風の速度の長期平均が地磁気活動と相関していると推測しました。^{[59]彼女の研究は、}エクスプローラー33号宇宙船によって収集されたデータから生まれました。

太陽風と磁気圏は、電気を伝導するプラズマ(イオン化されたガス) で構成されています。電気導体が磁場内に置かれ、導体が磁場の線に沿う方向ではなく、磁場を横切る(またはに切断される) 方向に相対運動が発生すると、導体内に電流が誘導されることは (1830 年頃のマイケル ファラデーの研究以来)よく知られています。電流の強さは、a) 相対運動の速度、b) 磁場の強さ、c) 一緒になっている導体の数、および d) 導体と磁場の間の距離によって決まり、流れの方向は相対運動の方向によって決まります。ダイナモはこの基本的なプロセス (「ダイナモ効果」)を利用しており、プラズマやその他の流体を含む、固体であろうとなかろうと、あらゆる導体がこの影響を受けます。

IMF は太陽から発生し、太陽黒点と関連しており、その磁力線は太陽風によって引きずり出されている。それだけでは磁力線は太陽と地球の方向に一列に並ぶ傾向があるが、太陽の自転により、磁力線は地球に対して約 45 度の角度で傾き、黄道面上にパーカー螺旋と呼ばれる螺旋を形成する。そのため、地球を通過する磁力線は、いつでも目に見える太陽の西端 (「縁」) 付近の磁力線と関連しているのが普通である。^[60]

太陽風と磁気圏は、相対的に運動する2つの導電性流体であるため、原理的にはダイナモ作用によって電流を生成し、太陽風の流れからエネルギーを伝達できるはずです。しかし、プラズマは磁力線に沿って容易に伝導しますが、磁力線に垂直な方向では伝導しにくいため、このプロセスは妨げられます。エネルギーは、太陽風の磁力線と磁気圏の磁力線の間の一時的な磁気接続によって、より効率的に伝達されます。当然のことながら、このプロセスは磁気再結合として知られています。すでに述べたように、これは、北磁極と南磁極の両方の内側領域で、惑星間磁場が南向き、つまり地磁気の方向と似た方向に向いているときに最も容易に発生します。

オーロラは、太陽活動周期の激しい時期にコロナ質量放出によって太陽風の強度が増すため、より頻繁に発生し、より明るくなります。^[61]

地球の磁気圏は、太陽風が地球の磁場に及ぼす影響によって形成される。この影響により、平均約 70,000 km (11 地球半径、または Re) の距離で流れが妨げられ、流れが逸れ^{[62]、さらに 12,000 ～ 15,000 km (1.9 ～ 2.4 Re) 上流に}弓状衝撃波が発生する。地球の横方向の磁気圏の幅は通常 190,000 km (30 Re) で、夜側には磁力線の長い「磁気尾部」が遠くまで伸びている (> 200 Re)。

太陽風が地球を通過すると、高緯度磁気圏はプラズマで満たされる。太陽風の乱流、密度、速度が増すと、磁気圏へのプラズマの流れが増加する。この流れは、IMF の南向きの成分によって促進され、高緯度の地磁気線に直接つながる可能性がある。^[63]磁気圏プラズマの流れのパターンは、主に磁気圏尾部から地球に向かって、地球を回り、昼側の磁気圏界面を通って太陽風に戻る。地球の磁場に垂直に移動するだけでなく、一部の磁気圏プラズマは地球の磁力線に沿って下方に移動し、追加のエネルギーを得て、オーロラ帯で大気にエネルギーを失う。地球を通過する地磁気線と遠くで閉じる地磁気線を分ける磁気圏のカスプにより、少量の太陽風が大気圏の上部に直接到達し、オーロラの輝きを生み出す。

2008年2月26日、THEMIS探査機は初めて磁気圏サブストームの発生を誘発する出来事を特定することに成功した。^[64] 5機の探査機のうち2機は月までの距離の約3分の1に位置し、オーロラが強まる96秒前に磁気再結合を示唆する出来事を測定した。 ^[65]

地磁気嵐によるオーロラの発生は、春分・秋分・冬分・秋分の前後の数ヶ月に多く発生する可能性がある。十分に解明されていないが、地磁気嵐は地球の季節によって変化する可能性がある。考慮すべき 2 つの要因は、黄道面に対する太陽と地球の軸の傾きである。地球は 1 年を通して公転するため、太陽のさまざまな緯度から 8 度傾いた惑星間磁場 (IMF) の影響を受ける。同様に、地磁気極は地球の軸の 23 度傾きを中心に日周変化しながら回転するため、地磁気が入射 IMF に対して示す 1 年を通しての毎日の平均角度が変化する。これらの要因が組み合わさると、IMF が磁気圏にリンクする詳細な方法に小さな周期的な変化が生じる可能性がある。次に、これは、太陽風のエネルギーが地球の内部磁気圏に到達してオーロラを増強するドア^{[口語表現]}が開く平均確率に影響する。 2021年の最近の証拠は、個々のサブストームが実際には相関したネットワーク化されたコミュニティである可能性があることを示している。^[66]

オーロラには多くの種類があるように、オーロラ粒子を大気中に加速させるメカニズムも多種多様です。地球のオーロラ帯の電子オーロラ (つまり、一般的に見えるオーロラ) は、直接の原因が異なる 2 つの主なカテゴリ、拡散オーロラと離散オーロラに分けられます。拡散オーロラは、地上の観測者には比較的構造がなく、境界が不明瞭で不定形に見えます。離散オーロラは、弧、光線、コロナなどの境界がはっきりした明確な特徴に構造化されており、拡散オーロラよりもはるかに明るい傾向があります。

どちらの場合も、最終的にオーロラを引き起こす電子は、地球の磁気圏内の磁場に捕らえられた電子として始まります。捕らえられた粒子は磁力線に沿って前後に跳ね返り、地球に近づくにつれて磁場が強くなって形成される磁気ミラーによって大気圏に衝突するのを防がれます。磁気ミラーが粒子を捕らえる能力は、粒子のピッチ角、つまり粒子の運動方向と局所的な磁場の間の角度に依存します。オーロラは、多数の個々の電子のピッチ角を減少させ、電子を磁気トラップから解放して大気圏に衝突させるプロセスによって生成されます。

拡散オーロラの場合、電子のピッチ角はさまざまなプラズマ波との相互作用によって変化します。各相互作用は本質的には波動粒子散乱です。波と相互作用した後の電子のエネルギーは相互作用前のエネルギーと同様ですが、運動の方向が変わります。散乱後の最終的な運動方向が磁力線に近い場合 (具体的には、ロスコーン内にある場合)、電子は大気圏に衝突します。拡散オーロラは、このように散乱した多数の電子が大気圏に衝突することで生じる集合的な影響によって引き起こされます。このプロセスはプラズマ波によって媒介され、プラズマ波は地磁気活動が活発な期間に強くなり、その時期に拡散オーロラが増加することになります。

離散オーロラの場合、閉じ込められた電子は、高度約 4000～12000 km の「オーロラ加速領域」に形成される電界によって地球に向かって加速されます。電界は、磁力線に沿って地球から遠ざかる方向 (つまり上向き) を向いています。^{[67]これらの電界を下向きに移動する電子は、磁力線に沿って地球に向かう方向にかなりの量のエネルギー (数}keV程度) を獲得します。この磁力線に沿った加速により、領域を通過するすべての電子のピッチ角が減少し、その多くが上層大気に衝突します。拡散オーロラにつながる散乱プロセスとは対照的に、電界は加速領域を下向きに通過するすべての電子の運動エネルギーを同じ量だけ増加させます。これにより、最初は低いエネルギー（数十 eV 以下）で磁気圏から出発した電子が、オーロラを生成するのに必要なエネルギー（数百 eV 以上）まで加速され、その大きな粒子源がオーロラ光の生成に寄与できるようになります。

加速された電子は磁力線に沿って電流を運ぶ（ビルケランド電流）。電場は電流と同じ方向を向いているため、オーロラ加速領域では電磁エネルギーが粒子エネルギーに正味で変換される（電気負荷）。この負荷に電力を供給するエネルギーは、最終的には地球の磁場という障害物の周りを流れる磁化された太陽風によって供給されるが、その電力が磁気圏内をどのように流れるかは、現在も研究が進められている分野である。^[68]オーロラに電力を供給するエネルギーは最終的には太陽風から得られるが、電子自体は太陽風から地球のオーロラ帯に直接移動するわけではない。これらの領域からの磁力線は太陽風に接続していないため、太陽風の電子が直接アクセスすることはできない。

いくつかのオーロラの特徴は、分散アルヴェン波によって加速された電子によっても生成される。背景磁場を横切る小さな波長（電子の慣性長またはイオンのジャイロ半径に匹敵する）では、アルヴェン波は背景磁場と平行な大きな電場を発生させる。この電場は電子をkeVエネルギーまで加速することができ、オーロラアークを生成するのに重要である。^[69]電子の速度が波の位相速度に近い場合、サーファーが海の波に乗るのと似た方法で加速される。^{[70] [71]}この常に変化する波の電場は、電子を磁力線に沿って加速し、その一部が大気圏に衝突する原因となる。このメカニズムによって加速された電子は、準静的電場によって加速された電子に典型的な鋭くピークを成すエネルギースペクトルとは対照的に、広いエネルギースペクトルを持つ傾向がある。

離散的および拡散的な電子オーロラに加えて、磁気圏の陽子が上層大気と衝突すると陽子オーロラが発生します。陽子は相互作用で電子を獲得し、その結果生じた中性水素原子が光子を放出します。その結果生じる光は肉眼では見えないほど暗いです。上記の説明で取り上げられていないその他のオーロラには、トランスポーラアーク (オーロラ帯の極方向に形成される)、カスプオーロラ (昼側の 2 つの小さな高緯度領域で形成される)、および一部の地球外オーロラがあります。

2017年に発見された1770年の日本の日記には、日本の古都である京都の上空にオーロラが描かれたものが描かれており、この嵐は電信網に影響を与えたカリントン事件よりも7%大きかった可能性があることが示唆された。^{[72] [73]}

1859 年 8 月 28 日と 9 月 2 日の両日、カリントン現象によって生じたオーロラは、近年で最も壮観なものと考えられています。1861年 11 月 21 日の王立協会への論文で、バルフォア スチュワートは、キュー天文台の自動記録式マグネトグラフで記録された両方のオーロラ現象について説明し、「この場合、私たちの天体が撮影されたと考えることは不可能ではない」と述べて、1859 年 9 月 2 日のオーロラ嵐とカリントン- ホジソン フレア現象との関連を確立しました。^{[74] 1859年9月2日に発生した2度目のオーロラ現象は、1859年9月1日の非常に強いカリントン・ホジソン白色光}太陽フレアに伴う（目に見えない）コロナ質量放出の結果であった。この現象は広範囲に渡って非常に明るいオーロラを生み出し、米国、ヨーロッパ、日本、オーストラリア全土で科学的測定結果、船舶航海日誌、新聞で目撃され、報告された。ニューヨーク・タイムズ紙は、1859年9月2日金曜日のボストンでオーロラが「非常に明るく、1時頃には普通の印刷物が光で読めるほどだった」と報じた。^[75] 9月2日金曜日の東部標準時1時はGMT6:00であり、キュー天文台の自動記録式磁力計は、当時1時間経過していた磁気嵐を最大の強度で記録していた。 1859年から1862年にかけて、エリアス・ルーミスはアメリカ科学誌に1859年の大オーロラ博覧会に関する9本の論文を発表し、オーロラ現象に関する世界中の報告を集めた。^[10]

このオーロラは、歴史上最も強力なコロナ質量放出の1 つによって発生したものと考えられています。また、オーロラ活動と電気現象が明確に結び付けられた初めての事例であることでも注目に値します。この洞察は、当時の科学的な磁力計測定だけでなく、当時使用されていた 125,000 マイル (201,000 km) の電信線の大部分が嵐の間中、何時間にもわたって大幅に妨害された結果、可能になりました。ただし、一部の電信線は、電磁場から十分な地磁気誘導電流を生成するのに適切な長さと方向であったため、電信オペレータの電源をオフにしても通信を継続できました。^[76]次の会話は、1859 年 9 月 2 日の夜、ボストンとメイン州ポートランド間のアメリカン テレグラフ ラインの 2 人のオペレータ間で行われ、ボストン トラベラーで報告されました。

ボストンのオペレーター（ポートランドのオペレーターに）：「15分間、バッテリー（電源）を完全に切ってください。」
ポートランドのオペレーター：「そうします。今は切断されています。」
ボストン：「私のは切断されており、オーロラ電流で作業しています。私の文章はどのように受け取られていますか？」
ポートランド：「バッテリーがオンのときよりはましです。電流は徐々に増減します。」
ボストン：「私の電流は時々非常に強くなりますが、オーロラが交互にバッテリーを中和したり増強したりするため、リレー磁石にとって電流が強すぎる場合があり、バッテリーなしで作業した方がうまくいきます。この障害の影響を受けている間、バッテリーなしで作業すると仮定してください。」
ポートランド：「わかりました。作業を進めますか？」
ボストン：「はい。どうぞ。」

会話は電池を一切使わず、オーロラの誘導電流のみで約2時間続けられ、このような方法で1、2語以上の会話が行われた記録はこれが初めてだと言われている。^[75]このような出来事から、次のような結論が導かれた。

オーロラが電信機に与える影響は、一般的に電線を作動させるときに発生する電流を増減させることである。時には電線を完全に中和し、実質的には電線に流体 [電流] がまったく存在しない状態になることもある。オーロラは電気物質の塊で構成されているようで、あらゆる点で電気ガルバニ電池によって生成されるものと似ている。オーロラからの電流は電線に流れ、その後消える。オーロラの塊は地平線から天頂まで転がる。^[77]

2024年5月、一連の太陽嵐により、イランのフェルドウス南部でもオーロラが観測されました。^{[78] [79] [80]}

オーロラに関する最も古い記録は、古代中国の歴史を記した歴史書『竹史』^{に紀元前977年または957年に記されている。 [81]} オーロラは紀元前4世紀にギリシャの 探検家 ピュテアスによって記述されている。 ^[82] セネカは『博物学問』第1巻でオーロラについて記述しており、例えば、ピタイ（樽のような）、チャスマタ（割れ目）、ポゴニア（ひげのような）、キパリサエ（糸杉のような）などに分類し、その多様な色について説明している。彼は、オーロラが雲の上にあるか下にあるかについても記述し、ティベリウスの治世中に港町オスティアの上空でオーロラが発生し、その強さと赤さがあまりにも強烈だったため、消防任務のために近くに駐留していた軍の一隊が救助に駆けつけたことを回想している。^[83]大プリニウスは著書『博物誌』の中で、トラベス、裂け目、「落ちる赤い炎」、「夜中の昼」などと言及し、オーロラを描写したのではないかと言われています。^[84]

オーロラの最も古い描写は、紀元前3万年頃のスペイン北部のクロマニョン人の 洞窟壁画にあると考えられている。 ^[85]

オーロラに関する最古の記録は、紀元前2600年ごろに書かれた中国の伝説の中にある。伝説によると、紀元前2000年ごろの秋、^[86]扶宝という名の若い女性が入り江のそばの荒野に一人で座っていると、突然「動く雲と流れる水」のような「魔法の光の帯」が現れ、北斗七星の周りの明るい光輪に変わり、淡い銀色の輝きが滝のように流れ落ち、地球を照らし、形や影が生きているように見えた。この光景に感動した扶宝は妊娠し、中国文化の創始者でありすべての中国人の祖先として伝説的として知られる息子、宣元帝を出産した。 ^[要出典]山海経では、石龍という生き物が、千マイルもの体を持ち、夜空に輝く赤い龍のようであると説明されている。古代中国ではオーロラを表す決まった言葉がなかったため、オーロラの形によって「天狗」、「刀星」、「蚩尤旗」、「天開眼」、「星陨如雨」などと名付けられました。^{[出典が必要]}

日本の民間伝承では、キジは天からの使者と考えられていた。しかし、日本の総合研究大学院大学と国立極地研究所の研究者らは2020年3月、西暦620年に日本の夜空に目撃された赤いキジの尾は、磁気嵐の際に発生した赤いオーロラである可能性があると主張した。^[87]

オーストラリアの先住民アボリジニの伝統では、南極光は一般に火と関連づけられている。例えば、ビクトリア州西部のグンディジマラ族はオーロラをpuae buae (「灰」)と呼び、ビクトリア州東部のグナイ族はオーロラを霊界の山火事とみなした。南オーストラリア州のディエリ族は、オーロラ現象はkootchee、つまり悪霊が大きな火を起こすもの^だと言う。同様に、南オーストラリア州のンガリンジェリ族は、カンガルー島上空に見えるオーロラを「死者の国」の霊の焚き火と呼んでいる。クイーンズランド州南西部の先住民アボリジニ^{[ ]は、オーロラはオーロラを通して人々に話しかける幽霊のような霊である}Oola Pikkaの火であると信じている。神聖な法律により、男性の年長者以外は、オーロラを通して伝えられたと彼らが信じる先祖のメッセージを見たり解釈したりすることが禁じられていた。^[88]

ニュージーランドのマオリ族の間では、オーロラ・オーストラリスまたはタフヌイ・ア・ランギ（「空の大きなたいまつ」）は、南の「氷の国」へ航海した先祖（またはその子孫）によって灯されたと考えられています。 ^{[89] [90]}これらの人々は、7世紀頃に南極海に到達したウイテ・ランギオラの探検隊であると言われています。^{[89] [91]}

スカンジナビアでは、 norðrljós（オーロラ）に関する最初の言及は、西暦1230年のノルウェーの年代記Konungs Skuggsjáで見つかります。年代記作者は、グリーンランドから戻った同胞からこの現象について聞いており、3つの可能な説明を挙げています。海が巨大な火に囲まれていた、太陽フレアが世界中を回って夜側にまで達した、氷河がエネルギーを蓄え、最終的に蛍光を発するようになった、というものです。^[92]

ウォルター・ウィリアム・ブライアントは著書『ケプラー』（1920年）の中で、ティコ・ブラーエは「オーロラの硫黄蒸気によって引き起こされる感染症の治療に硫黄を推奨しており、ホメオパシーの医師のような人物だったようだ」と書いている。^[93]

1778年、ベンジャミン・フランクリンは論文「オーロラ：その説明のための仮説形成に向けた仮定と推測」の中で、オーロラは極地の電荷の集中が空気中の雪と湿気によって強められることで発生すると理論づけた。^{[94] [95] [96]}

では、雲によって極地に運ばれ、そこで凝縮されて雪となって降る大量の電気は、地球に侵入するが氷を貫通できないのではないだろうか。つまり、（過剰に充電されたボトルのように）低気圧を突き破り、真空中を空気中を赤道に向かって流れ、経度が大きくなるにつれて分散し、最も密度が高い場所では強く見え、分散が進むにつれて見えにくくなり、より温暖な気候の地球への通路を見つけるか、上空の空気と混ざり合うのではないだろうか。

オーロラの影響によるコンパスの針の規則的な動きの観測は、スウェーデンのウプサラ市でアンダース・セルシウスとオロフ・ヒオルターによって確認された。1741年、ヒオルターは大きな磁気変動と頭上のオーロラの観測を結び付けることができた。この証拠は、磁気嵐がそのようなコンパスの変動の原因であるという彼らの理論を裏付けるのに役立った。^[97]

この光景には、さまざまなネイティブアメリカンの神話が関係している。ヨーロッパの探検家サミュエル・ハーンは、1771年にチペワイアン・デネ族とともに旅をし、エドシン（カリブー）に関する彼らの見解を記録した。ハーンによれば、デネ族は、カリブーの毛皮を撫でたときに生じる火花とオーロラの類似性を見たという。彼らは、その光は空で踊る亡くなった友人の霊であり、明るく輝くのは亡くなった友人が非常に幸せであることを意味すると信じていた。^[98]

フレデリックスバーグの戦いの後の夜、戦場からオーロラが見られました。南軍は、この光がここまで南で見られることは稀であったため、神が味方しているという印だと受け止めました。フレデリック・エドウィン・チャーチの絵画「オーロラ」は、アメリカ南北戦争の紛争を象徴するものと広く解釈されています。^[99]

19世紀半ばの英国の文献によると、オーロラは18世紀以前はまれな現象だったという。^[100]この文献では、1716年のオーロラ以前、80年以上そのような現象は記録されておらず、1574年以降は重大なものもなかったとハレーが述べたと引用されている。1666年から1716年の間にはフランス科学アカデミー紀要に出現の記録はなく、1797年のベルリン雑学に記録されたオーロラ1つは非常にまれな出来事と呼ばれていたと述べている。1723年にボローニャで観測されたオーロラは、そこで初めて見られたオーロラであると述べられている。セルシウス（1733）は、ウプサラの最古の住民は1716年以前はこの現象を非常にまれなものだと考えていたと述べている。およそ1645年から1715年までの期間は、太陽黒点活動の マウンダー極小期に相当

ロバート・W・サービスの風刺詩「北極光のバラード」（1908年）では、ユーコン準州の探鉱者がオーロラがラジウム鉱山の輝きであることを発見します。彼は自分の鉱脈を主張し、投資家を探しに街へ出かけます。

1900 年代初頭、ノルウェーの科学者クリスティアン・ビルケランドが、地磁気と極地オーロラに関する現在の理解の基礎^{[口語表現]}を築きました。

サーミ神話では、オーロラは死者が血を流して自らを切りつけ、その血が空に飛び散ることで発生するとされる。ユーラシア北部や北アメリカの先住民の多くは、オーロラは死者の血であるという同様の信仰を共有しており、中には死んだ戦士たちがゲームをしたり、馬に乗ったり、その他の方法で楽しんだりしているときに、その血が空に飛び散ることで発生すると信じている人もいる。^{[引用が必要]}

木星と土星はどちらも地球よりも強い磁場を持ち（木星の赤道磁場の強さは4.3ガウスであるのに対し、地球は0.3ガウスである）、どちらも広大な放射線帯を持っている。オーロラは両方のガス惑星で観測されており、ハッブル宇宙望遠鏡、カッシーニ宇宙船、ガリレオ宇宙船で最も鮮明に観測されている。また、天王星と海王星でもオーロラが観測されている。^[101]

土星のオーロラは、地球のオーロラと同様に、太陽風によって発生しているようです。しかし、木星のオーロラはより複雑です。木星の主なオーロラオーバルは、火山衛星イオによって生成されたプラズマと、このプラズマが惑星の磁気圏内を輸送されることに関連しています。木星のオーロラの不確かな一部は、太陽風によって発生しています。さらに、衛星、特にイオは、オーロラの強力な発生源でもあります。これらは、回転する惑星と移動する衛星の相対運動によるダイナモ機構によって生成される、磁力線に沿った電流（「沿磁力線電流」）から発生します。活発な火山活動と電離層を持つイオは特に強力な発生源であり、その電流は電波放射も生成します。これは 1955 年以来研究されてきました。ハッブル宇宙望遠鏡を使用して、イオ、エウロパ、ガニメデのオーロラはすべて観測されています。

オーロラは金星と火星でも観測されています。金星には磁場がないため、金星のオーロラは、さまざまな形と強度の明るく拡散した斑点として現れ、時には惑星の円盤全体に分布します。^[102]金星のオーロラは、太陽風からの電子が夜側の大気と衝突することで発生します。

2004年8月14日、火星探査機マーズ・エクスプレスに搭載されたSPICAM装置によって、火星でオーロラが検出された。オーロラはテラ・キメリアに位置し、東経177度、南緯52度の地域にあった。発光領域の総面積は幅約30km、高さは約8kmであったと思われる。マーズ・グローバル・サーベイヤーのデータでまとめられた地殻磁気異常の地図を分析することで、科学者らは発光領域が最も強い磁場が集中している地域に対応していることを観測した。この相関関係は、発光の起源が地殻磁力線に沿って移動し、火星の上層大気を励起する電子の流れであることを示している。^{[101] [103]}

2014年から2016年にかけて、ロゼッタ探査機の複数の機器によって、チュリュモフ・ゲラシメンコ彗星67Pで彗星オーロラが観測されました。^{[104] [105]}オーロラは遠紫外線波長で観測されました。コマの観測により、彗星のコマ内の水分子の光解離（地上のオーロラのような光電離ではない）によって引き起こされた水素と酸素の原子放出が明らかになりました。 ^[105]オーロラは、太陽風からの加速電子とコマ内のガス粒子の相互作用によって発生します。^[105]彗星67Pには磁場がないため、オーロラは彗星の周囲に拡散して広がります。^[105]

ホットジュピターなどの太陽系外惑星は、上層大気で電離が起こり、乱流圏の天候によって変化したオーロラを発生させると考えられています。^[106]しかし、現在のところ太陽系外惑星のオーロラは検出されていません。

史上初の太陽系外オーロラは、2015年7月に褐色矮星LSR J1835+3259の上空で発見された。^[107]主に赤色のオーロラは、荷電粒子が大気中の水素と相互作用した結果、オーロラの100万倍も明るいことがわかった。恒星風が褐色矮星の表面から物質を剥ぎ取り、独自の電子を生み出しているのではないかと推測されている。オーロラのもう1つの考えられる説明は、木星とその衛星イオの場合のように、矮星の周りのまだ検出されていない天体が物質を放出しているというものである。^[108]

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