極風

極風またはプラズマ噴水は、地球の磁気圏の極域からプラズマが恒久的に流出する現象である。^{[2] : 29}概念的には太陽風に似ており、イオン化粒子の流出メカニズムの1つである。両極性電場と呼ばれる分極電場によって加速されたイオンが、極風の主な原因であると考えられている。同様のプロセスが他の惑星でも起こっている。^[3]

1966年にバウアー^[4]とデスラーとミシェル^[5]はそれぞれ、極地の上空の地球の地磁気が太陽から月の軌道を超えて長い尾を形成するため、イオンは電離層の高圧領域から宇宙に流れ出るはずであると指摘しました。^{[6] 「} 極風」という用語は^{、  1968 年にバンクスとホルツァー[8]}とイアン・アックスフォード^[9]による2つの論文の中で造られました。電離層のプラズマが磁力線に沿って地球から流れ出るプロセスは、太陽のコロナから太陽プラズマが流れ出る（太陽風）ことに似ているため、アックスフォードは「極風」という用語を提案しました。

極地風の最も初期の実験的特徴づけは、 1966年のエクスプローラー33号と、特に1974年のISIS-2衛星プロジェクトから得られました。^{[10] [11] 1981年の}ダイナミクスエクスプローラーからの追加データにより、冷たいO ^{+イオンの役割に関する理論モデルに不確実性が生じました。この問題は、1989年の}あけぼの衛星、^{[7] : 1955年}、および1996年の極地衛星からのより包括的なデータによって解決されました。^{[7] : 1966}

極風の発想は、地球のヘリウム収支のパラドックスを解決したいという願望から生まれました。このパラドックスは、地球の大気中のヘリウムが（ウランとトリウムの放射性崩壊によって）生成される速度が、上層大気から逃げて失われる速度よりも速いという事実から成ります。一部のヘリウムがイオン化され、磁極付近の開いた磁力線に沿って地球から逃げる（「極風」）可能性があるという認識は、このパラドックスの考えられる解決策の 1 つです。

30年間の研究を経て、極風の「古典的な」原因は、熱プラズマの両極性流出、すなわち電離層の分極電場によるイオンの加速であることが示されました。 ^{[2] : 451} 分極電場または両極性電場は、もともと1920年代に電離した恒星の大気を対象に提案されました。^{[11] : 1927}重力による電荷分離によって、次の値のフィールドが生成されます 。 ここで は重力場、 は 平均イオン質量、つまり一価イオンと電子の質量差の半分です。この単純な式は、静水圧平衡にあるプラズマにのみ適用できます。実際のプラズマに適用できるより複雑なモデルでは、より大きなフィールド強度が示されます。いずれにしても、フィールドは非常に小さいですが、他の力とは異なり、重力から遠ざかる方向を向いています。^{[11] : 1927}高高度の低密度プラズマでは、軽いイオンに対して重力を圧倒します。 $${\displaystyle E=-\mu \cdot {\vec {g}}/e}$$${\displaystyle {\vec {g}}}$${\displaystyle \mu}$

極風の領域では、電離層プラズマが膨張し、低密度のため、重力によってイオンがプラズマ内の電子に対して下方に引っ張られる。電荷分離によって電場が生じ、イオンの一部が大気圏外に押し出される。^{[13] : 147}このメカニズムは「両極性流出」^{[14]として知られ、この電場は「両極性電場」または「分極電場」として知られている。その他のメカニズムには、}磁力線に沿って逃げる太陽光電子によるイオンの加速が含まれる。^[14]

両極性電場によるイオンの流出は、閉じた磁力線に沿っている場合はプラズマ圏内に蓄積されるが、開いた磁力線に沿っているイオンは地球系から出ていく。 ^{[13] : 167}開いた磁力線に沿っているイオンは、太陽風の力（反太陽対流）によって太陽から押しのけられる。^{[13] : 149}

極風の調査は、ISIS-2、ダイナミクス・エクスプローラー、あけぼの衛星、極地衛星など、太陽活動周期に相対するさまざまな高度、緯度、時間をカバーして数多く実施されている。その結果、次のような結論が導き出された。^[7]

• 極風の主成分は電子、水素（H ⁺）、ヘリウム（He ⁺）、酸素（O ⁺）イオンであり、
• 4000km以下ではO ^{+イオンが優勢であり、}
• これら3種のイオンはすべて7000kmを超えると超音速に達し、50,000kmを超えると速度はマッハ数2以上に増加します。 ^{[7] :  1976}
• 極風の速度は高度とともに増加し、地球の昼側ではより高くなる。

分極または両極性電場は、2022年にスヴァールバル諸島から打ち上げられた探査ロケットによって直接測定されました。このNASAのミッションはエンデュランスと呼ばれていました。^[12] 高度250kmの電位と768kmの電位を比較すると、+0.55ボルトの差があり、不確実性は0.09ボルトでした。^[15]この電圧は腕時計の電池に使用されている電圧と似ていますが、極地の風を考慮するには十分です。^[16]

• 両極性拡散

• Young, Lacey (2024-08-28). 「地球の3番目のグローバルエネルギーフィールドの発見」NASA Scientific Visualization Studio . NASA . 2024-09-12閲覧。