オーロラは、どうして緑や赤に光るの？
夜空にゆれる、光のカーテン。その色を作っているのは、遠い太陽の色つきの光ではなく、地球の高い空にある大気なんだ。エネルギーの道をたどろう。
まず、ひとことで
オーロラでは、速い電子などが高い空の気体と衝突し、エネルギーを渡すよ。それを受け取った酸素や窒素の仲間が光を出す。気体の種類や状態、高さなどの条件で、緑・赤・青・ピンクなどの色が現れるんだ。
夜の空に、光るカーテンが見える
暗い空に、緑や赤の光が帯のように広がり、形を変えていく写真を見たことはあるかな。これがオーロラだよ。北の地域だけでなく、南の地域にも現れるんだ。空に大きな布が浮いているわけではないし、どこかの照明を雲へ映したものでもない。地球の高い空にある気体が光を出している現象なんだよ。まず、どこで光が生まれているかを分けて考えよう。
昼の青い空では、太陽の光が空気の中で散らばって目に届くことが大切だったね。一方、オーロラでは、気体がエネルギーを受け取り、新たに光を出すことに注目する。同じ空の色でも、光がどう生まれ、どう目に届くかは同じではないんだ。太陽と関係するからといって、太陽から緑のカーテンの形をした光がそのまま届く、という意味ではないよ。
太陽からの風と、地球の磁場
太陽は、目に見える光だけを出しているわけではないよ。電子や、電気を帯びた原子などの粒が流れ出していて、太陽風と呼ばれる。風といっても、地上で頬に感じる空気の風とは違うんだ。地球の周りには磁場があり、その働きが大きく関わる宇宙空間を磁気圏という。太陽風は、この地球の磁気圏とやり取りし、エネルギーを渡すことがあるよ。
磁気圏ではエネルギーが蓄えられたり、放出されたりして、粒が大きなエネルギーを得ることがある。速い電子などが地球の高い大気へ入りこむと、光を出す次の段階へ進むんだ。最初の図は、このつながりを短く整理したものだよ。すべての粒が太陽から地表へ一直線に飛びこむ図ではない。地球の周囲での複雑な動きや、磁場の変化の詳しい仕組みは省いているんだ。
主なエネルギーのつながりを示す模式図。粒の実際の通り道や地球周囲の配置・縮尺は描いていないよ。すべての粒が太陽から地表へ一直線に届くという意味ではないんだ。
出典資料に基づきEggplanetが作成した模式図小さな衝突が、光を出すきっかけになる
高い空にも、酸素や窒素の仲間の気体があるよ。速い電子などがその原子や分子と衝突すると、エネルギーの一部を渡すことがある。原子は物質を作る小さな部品、分子は原子が結び付いたまとまりだよ。エネルギーを受け取ると、原子や分子の内部の状態が変わる。こうした高いエネルギーの状態を、励起された状態と呼ぶことがあるんだ。
そこから低いエネルギーの状態へ移るとき、差に当たるエネルギーを光として出す場合がある。この小さな発光が集まって、空に広がるオーロラとして見えるんだよ。気体が光ることと、気体が緑の絵の具のような物質へ変わることは別なんだ。また、小さな粒の衝突を、地上で岩がぶつかって火花を散らす様子と全く同じだと思わないようにしよう。原子や分子の状態が変わることが大切だよ。
酸素は緑や赤、窒素の仲間は青やピンク
オーロラの色は、どの気体がどんな状態から光を出すかで変わるよ。酸素原子は、条件によって緑や赤の光を出す。窒素の仲間に由来する光には、青やピンク、紫に見えるものもあるんだ。だから、酸素なら必ず一色だけ、とはいえないね。気体の名前だけでなく、受け取ったエネルギーや、その後に起きる変化も色に関わっているよ。
二つ目の図は、気体と光の色の代表的な対応を並べたものだよ。色のついた丸は、出る光の例を表し、気体そのものの見た目を描いたものではない。実際には、違う場所で出た光が、見る方向に重なって届くこともある。写真に一つの色が見えたから、そこに一種類の気体しかないと決められるわけではないんだ。図を読むときも、何を色で表したかを確かめよう。
高さと磁場で、光る場所が変わる
高い空では、高さによって気体の様子や、粒が衝突する条件が違うよ。NASAの解説では、酸素に由来する緑の光は地上およそ100〜200キロメートル、赤の光はそれより高いところに多い、と紹介されている。これは大まかな目安で、空がその高さを境に、きれいに別々の色へ塗り分けられるわけではないんだ。色だけから正確な高さを一つに決める表ではないよ。
オーロラが地球の磁極の周辺に現れやすいことにも、磁場が関わる。電気を帯びた粒の動きが、磁場の影響を受けるからだよ。地理の地図でいう北極点や南極点と、磁場で決まる磁極は、全く同じ点というわけではない。ここでは、光がよく現れる場所を考えるときに、単に寒いから光る、と説明してはいけないことを覚えよう。冷たい空気そのものが、オーロラの燃料になるわけではないんだ。
代表的な発光の色を比べる模式図。色の丸は気体そのものの見た目ではなく、光の例だよ。同じ気体でも条件で色が変わり、重なった光が違う色に見えることもあるんだ。
出典資料に基づきEggplanetが作成した模式図太陽の活動と、見える条件は別の話
太陽の活動によって磁気圏へ入るエネルギーの様子が変わると、オーロラの広がりや明るさが変わることがあるよ。強い活動のときは、普段より磁極から離れた地域でも見える場合がある。でも、太陽が活発なら、いつでもどこでも同じ色のオーロラを見られるというわけではない。太陽と地球の間の条件や、地球の周囲の変化を合わせて考える必要があるんだ。
また、空で光が起きていることと、地上の人がそれを見つけられることも別だよ。雲で隠れたり、周りの空が明るかったりすれば、見えにくくなる。オーロラが夜に見やすいからといって、暗さそのものが発光のエネルギーを作っているのではないんだね。光を作る条件と、目へ届くまでの条件を分けると、写真や観測の記録の読み方も変わってくるよ。
写真は、目で見た色と全く同じとは限らない
オーロラの写真には、とても鮮やかなものがあるね。でも、カメラは目とは違う仕組みで光を記録する。NASAの撮影の解説でも、カメラのセンサーは敏感で、肉眼では見つけにくいオーロラを写すことがあると説明されているよ。写真の色が鮮やかだからといって、その場にいた全員が同じ鮮やかさで見た、とまではいえないんだ。
研究では、写真だけでなく、磁場や粒の動きなどの観測も組み合わせる。光が見えた時刻や場所と、別の装置で測った変化を比べると、どこでどんなエネルギーのやり取りが起きたかを調べる手がかりになるんだ。きれいな姿を眺めることから、原因を確かめる仕事へ問いを広げられるね。この記事の図も、実測の画像や、その日の見え方の予報ではなく、仕組みを考えるための模型だよ。
どっとと考えよう：光る空気は、どこから力をもらう？
紙に「太陽風」「地球の磁気圏」「速い電子など」「大気の気体」「光」という言葉を書いて、エネルギーのつながりを矢印で結んでみよう。どのところで、気体の種類が光の色に関わるかな。どのところで、地球の磁場が粒の動きに関わるかな。紙の図なら、実際に高い空へ行ったり、夜の遠くの場所へ出かけたりせずに、仕組みの関係を考えられるよ。
次に、酸素から緑の光が出る矢印の隣に、赤の光が出る場合も書き足そう。これで「気体一種類なら色は一つ」という説明を直せるね。写真を一枚選んだら、色や形として見えることと、そこから考えた原因も分けて書いてみよう。遠い太陽、地球を包む磁場、高い空の小さな原子や分子。大きさの違う世界の働きがつながって、あの光のカーテンが生まれているんだ。
ことばのメモ
- 太陽風
- 太陽から流れ出す、電子や電気を帯びた原子などの粒の流れ。地上の空気の風とは違うよ。
- 磁気圏
- 地球の磁場の働きが大きく関わる、地球の周りの宇宙空間。
- 励起
- 原子や分子がエネルギーを受け取り、より高いエネルギーの状態になること。
- 発光
- エネルギーのやり取りに伴って、光を出すこと。
- 磁極
- 地球の磁場に関係する極。地理の北極点・南極点とは全く同じ場所ではないよ。
もとになった資料・もっと知りたい人へ
下記の資料をもとに、説明と考える問題を独自に構成しています。外部資料には英語のページもあります。どっとの画像は案内用のイラストで、観測写真や科学的な図ではありません。
- NASA：Auroras（エネルギー・気体・高さと色）
- NASA Space Place：What Is an Aurora?（太陽風と地球の磁場）
- JAXAウチューンズ：オーロラが光るのはなぜですか？（粒の流れと大気）
- JAXA：上出洋介氏インタビュー（2013年、発光原理と色の解説）
- NASA：Guide to Finding and Photographing Auroras（観察とカメラの違い）
- NASA：Secrets of the Polar Aurora（磁極と地理の極の違い）
分かりやすくするために、説明を短くしたり、たとえ話を使ったりしています。まちがいを見つけたらお問い合わせへお寄せください。制作方法は編集方針、いっしょに読むときのヒントは保護者・先生へで紹介しています。