地球周辺の宇宙空間はジオスペースと呼ばれています。
ジオスペースには、稀薄ながらもイオンや電子などの荷電粒子（プラズマ）が存在しています。
このイオンや電子は、太陽からやって来る太陽嵐と呼ばれるプラズマの状態に応じて、増えたり減ったりしているんですねー
そして、大きく増えると、ジオスペースは“宇宙嵐（スペースストーム）”と呼ばれる状態になって、イオンや電子の増加に伴って激しく活動するオーロラがいろいろな場所で見えたり、高度100キロほどの電離層領域に強い電流が流れるなどします。
特に強い宇宙嵐の場合には、人工衛星の機能障害、測位精度の低下、さらに地上での停電など、私たちの日常生活にも影響が及びます。
このため、宇宙を安全に利用するためにも宇宙嵐を理解することは重要で、宇宙天気としても精力的に研究されています。
地球起源のプラズマが宇宙嵐に及ぼす影響
宇宙嵐は、太陽嵐プラズマが地球磁場の勢力範囲“磁気圏”に入り込むことによって発生・発達すると考えられてきました。
一方、地球の超高層大気“電離層”にもプラズマが存在していて、水素イオンや酸素イオンが宇宙空間へと流出することが知られています。
でも、太陽嵐起源のプラズマと地球起源のプラズマを区別することは難しいんですねー
なので、地球起源のプラズマが宇宙嵐に及ぼす影響は、これまで分かっていませんでした。
そこで、今回の研究では、太陽嵐プラズマに含まれているアルファ粒子（2価のヘリウムイオン）に着目しています。
アルファ粒子は、太陽嵐プラズマに含まれているものの、地球起源のプラズマの中には見られないものです。
このため、太陽嵐とジオスペースの中で、水素イオンとアルファ粒子の個数（密度）の比を同時に計測すれば、太陽嵐起源プラズマと地球起源プラズマを区別した研究が可能になるはずです。
研究では、2017年9月7日～10日に発生した宇宙嵐について、ジオスペースを探査しているJAXAのジオスペース探査衛星“あらせ”、NASAの磁気圏編隊観測衛星“MMS（Magnetospheric Multiscale）”、太陽嵐を観測する“Wind”、ヨーロッパ宇宙機関の地球磁気圏調査衛星“Cluster”の日米欧の科学衛星の観測データを組み合わせた解析を進めています。
そして、“Wind”が計測する太陽風、“MMS”が観測する高度40000キロから80000キロ付近のジオスペース、“あらせ”が観測する高度40000キロ以下のジオスペースについて、水素イオン・酸素イオン・アルファ粒子の密度の比較を実施。
なかでも、宇宙嵐の発達にとっては高度40000キロ以下の磁気圏の内部領域が重要と考えられていて、“あらせ”の観測が要となりました。（図1）
宇宙嵐の予測には地球起源プラズマの影響を組み込んだ評価も必要
“あらせ”が観測した水素イオンとアルファ粒子の密度割合が“Wind”のものに近ければ、“あらせ”が観測しているプラズマは太陽風起源と考えられ、逆に大きく異なる場合には地球起源と考えられます。
このため、9月7日の20時までは“あらせ”が観測していたプラズマは太陽風起源と言えます。
ただ、21時以降は宇宙嵐の発達とともに、“Wind”と“あらせ”が観測した密度比の差が大きくなり始めているので、“あらせ”が観測しているプラズマは地球起源だということが明らかになりました。
さらに、宇宙嵐が進展すると、地球起源の酸素イオンの量が増え始め、主成分が水素イオンから酸素イオンへと変わることも明らかになっています。（図2の（中）
この結果が示しているのは、宇宙嵐が発達する際に内部磁気圏に存在するプラズマは、これまで考えられてきた太陽風起源ではなく、地球起源の水素イオンが主成分であること。
さらに、宇宙嵐が進行すると、地球起源の酸素イオンが主成分になることを示すものです。
地球周辺の宇宙空間（ジオスペース）の環境変化は、太陽と地球の相互作用によって生じるものですが、これまでは太陽嵐の影響に対して、ジオスペースは受動的に応答すると考えられてきました。
でも、今回の結果は、宇宙嵐発達時には地球起源のプラズマが内部磁気圏の主成分となり、宇宙嵐自体の発達に影響を及ぼしている可能性を示すもの。
これまでの概念の変革を迫る新たな知見になります。
例えば、宇宙嵐の予測は宇宙天気研究の最重要課題ですが、これまで重要視されてきたのは太陽風の影響を予測することでした。
これに対し本研究は、宇宙嵐の発達過程を理解するには、地球起源プラズマの影響を組み込んだ評価も必要だということを示していました。
どのようにして地球起源のプラズマは電離圏から磁気圏に運ばれるのか
この研究成果は、“あらせ”に搭載されたイオンエネルギー質量分析器がアルファ粒子と水素イオンを分離できる性能を持っていること、そして十分な感度を持っていることで得られたものでした。
イオンエネルギー質量分析器は、静電エネルギー分析と飛行時間分析という2つの手法を使って入射してきたイオン一つ一つのエネルギーと速度を計測し、それを基にイオンの質量を同定しています。
このやり方は、機器の壁を突き抜けて観測器内部に到達してしまう高エネルギー粒子や、強烈な光量のために除去しきれなかった太陽紫外線などによるノイズの除去にも大きな効果があります。
“あらせ”搭載イオンエネルギー質量分析器は、これらの手法を応用し、高い感度と高いノイズ除去性能を併せ持つように電極の形や配置を設計することで、高エネルギー粒子が飛び交う放射線帯（バン・アレン帯）の中であっても質の良い観測データを得ています。
この研究では、宇宙嵐が発生すると、高度40000キロ以下の内部磁気圏で地球起源のプラズマが主成分となり、宇宙嵐自体の発達に影響を及ぼしている可能性が示されました。
では、地球起源のプラズマは宇宙嵐開始時にどのように電離圏から磁気圏に運ばれ、宇宙嵐の発達にどのような影響を与えているのでしょうか？
この問題は、今後解明する必要があります。
地球起源のプラズマは高度100キロから数百キロに存在する電離圏から、宇宙空間に向かって流出していると考えられています。
ところが、電離圏イオンがどのような経路でどこに流出してゆくのかは、ほとんど分かっていないんですねー
また、電離圏イオンのエネルギーは低いので、そのままでは地球の重力に逆らって宇宙空間に流出することが出来ないはずです。
このため、宇宙空間に流出するには、何らかの方法で電離圏イオンが加速される必要があります。
でも、そのメカニズムも不明のままになっています。
これは加速前の電離圏イオンや加速中の電離圏イオンのエネルギーが、これまでのイオンエネルギー分析機の観測可能エネルギー帯よりも低く、観測例が少ないことが原因の一つです。
現在、研究チームが開発を進めているのは、“あらせ”搭載のイオンエネルギー質量分析器の開発で得た経験をもとに、低いエネルギー帯をカバーし、さらには酸素イオンや窒素イオン、酸素や窒素の分子イオンといった電離圏に存在する重粒子イオンの区別が可能なイオンエネルギー質量分析器です。
これにより、人工衛星や観測ロケットで電離圏イオンや電離圏期限イオンを直接観測することを計画しているそうですよ。
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ジオスペースには、稀薄ながらもイオンや電子などの荷電粒子（プラズマ）が存在しています。
このイオンや電子は、太陽からやって来る太陽嵐と呼ばれるプラズマの状態に応じて、増えたり減ったりしているんですねー
そして、大きく増えると、ジオスペースは“宇宙嵐（スペースストーム）”と呼ばれる状態になって、イオンや電子の増加に伴って激しく活動するオーロラがいろいろな場所で見えたり、高度100キロほどの電離層領域に強い電流が流れるなどします。
特に強い宇宙嵐の場合には、人工衛星の機能障害、測位精度の低下、さらに地上での停電など、私たちの日常生活にも影響が及びます。
このため、宇宙を安全に利用するためにも宇宙嵐を理解することは重要で、宇宙天気としても精力的に研究されています。
地球起源のプラズマが宇宙嵐に及ぼす影響
宇宙嵐は、太陽嵐プラズマが地球磁場の勢力範囲“磁気圏”に入り込むことによって発生・発達すると考えられてきました。
一方、地球の超高層大気“電離層”にもプラズマが存在していて、水素イオンや酸素イオンが宇宙空間へと流出することが知られています。
でも、太陽嵐起源のプラズマと地球起源のプラズマを区別することは難しいんですねー
なので、地球起源のプラズマが宇宙嵐に及ぼす影響は、これまで分かっていませんでした。
そこで、今回の研究では、太陽嵐プラズマに含まれているアルファ粒子（2価のヘリウムイオン）に着目しています。
アルファ粒子は、太陽嵐プラズマに含まれているものの、地球起源のプラズマの中には見られないものです。
このため、太陽嵐とジオスペースの中で、水素イオンとアルファ粒子の個数（密度）の比を同時に計測すれば、太陽嵐起源プラズマと地球起源プラズマを区別した研究が可能になるはずです。
研究では、2017年9月7日～10日に発生した宇宙嵐について、ジオスペースを探査しているJAXAのジオスペース探査衛星“あらせ”、NASAの磁気圏編隊観測衛星“MMS（Magnetospheric Multiscale）”、太陽嵐を観測する“Wind”、ヨーロッパ宇宙機関の地球磁気圏調査衛星“Cluster”の日米欧の科学衛星の観測データを組み合わせた解析を進めています。
そして、“Wind”が計測する太陽風、“MMS”が観測する高度40000キロから80000キロ付近のジオスペース、“あらせ”が観測する高度40000キロ以下のジオスペースについて、水素イオン・酸素イオン・アルファ粒子の密度の比較を実施。
なかでも、宇宙嵐の発達にとっては高度40000キロ以下の磁気圏の内部領域が重要と考えられていて、“あらせ”の観測が要となりました。（図1）
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| 図1．日米欧の連携による太陽風とジオスペースの観測。本研究によって、宇宙嵐の発達時には、太陽風起源ではなく、地球起源のプラズマが内部磁気圏の主成分となっていることが明らかになった。（Credit: ERG science team） |
研究の結果は図2を参照。
図2（上）は、宇宙嵐の発達を示したもので、特に9月8日付近で宇宙嵐が大きく発達していることが分かる。
図2（下）は、“Wind”と“MMS”、“あらせ”が観測した水素イオンとアルファ粒子の割合（密度比）を示している。
図2（上）は、宇宙嵐の発達を示したもので、特に9月8日付近で宇宙嵐が大きく発達していることが分かる。
図2（下）は、“Wind”と“MMS”、“あらせ”が観測した水素イオンとアルファ粒子の割合（密度比）を示している。
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| 図2．（上）宇宙嵐の大きさを示す指数（単位はnT: ナノテスラ）。マイナスに大きく振れるほど、強い宇宙嵐が起きていることを示す。9月8日1次UT頃に、宇宙嵐が最も強く発達している。（中）“あらせ”が内部磁気圏で計測した水素イオン、酸素イオン、アルファ粒子の密度。宇宙嵐の前は水素イオンの量（黒線）が多いのに対し、宇宙嵐が進行するにつれて酸素イオン（青線）の量が水素イオンを上回っていることが分かる。（下）アルファ粒子と水素イオンの割合を太陽風（黒）、プラズマシート（赤）、内部磁気圏（青線）で計測した結果。黒線と重なった場合は太陽風起源プラズマが計測され、ズレた場合には地球起源プラズマが計測されていることを意味している。9月7日の20時UTまでは、内部磁気圏のプラズマは主として太陽風起源だったが、その後宇宙嵐の発達とともに地球起源プラズマが主となっていることが分かる。（Credit: Lynn et al., 2023） |
宇宙嵐の予測には地球起源プラズマの影響を組み込んだ評価も必要
“あらせ”が観測した水素イオンとアルファ粒子の密度割合が“Wind”のものに近ければ、“あらせ”が観測しているプラズマは太陽風起源と考えられ、逆に大きく異なる場合には地球起源と考えられます。
このため、9月7日の20時までは“あらせ”が観測していたプラズマは太陽風起源と言えます。
ただ、21時以降は宇宙嵐の発達とともに、“Wind”と“あらせ”が観測した密度比の差が大きくなり始めているので、“あらせ”が観測しているプラズマは地球起源だということが明らかになりました。
さらに、宇宙嵐が進展すると、地球起源の酸素イオンの量が増え始め、主成分が水素イオンから酸素イオンへと変わることも明らかになっています。（図2の（中）
この結果が示しているのは、宇宙嵐が発達する際に内部磁気圏に存在するプラズマは、これまで考えられてきた太陽風起源ではなく、地球起源の水素イオンが主成分であること。
さらに、宇宙嵐が進行すると、地球起源の酸素イオンが主成分になることを示すものです。
地球周辺の宇宙空間（ジオスペース）の環境変化は、太陽と地球の相互作用によって生じるものですが、これまでは太陽嵐の影響に対して、ジオスペースは受動的に応答すると考えられてきました。
でも、今回の結果は、宇宙嵐発達時には地球起源のプラズマが内部磁気圏の主成分となり、宇宙嵐自体の発達に影響を及ぼしている可能性を示すもの。
これまでの概念の変革を迫る新たな知見になります。
例えば、宇宙嵐の予測は宇宙天気研究の最重要課題ですが、これまで重要視されてきたのは太陽風の影響を予測することでした。
これに対し本研究は、宇宙嵐の発達過程を理解するには、地球起源プラズマの影響を組み込んだ評価も必要だということを示していました。
どのようにして地球起源のプラズマは電離圏から磁気圏に運ばれるのか
この研究成果は、“あらせ”に搭載されたイオンエネルギー質量分析器がアルファ粒子と水素イオンを分離できる性能を持っていること、そして十分な感度を持っていることで得られたものでした。
イオンエネルギー質量分析器は、静電エネルギー分析と飛行時間分析という2つの手法を使って入射してきたイオン一つ一つのエネルギーと速度を計測し、それを基にイオンの質量を同定しています。
このやり方は、機器の壁を突き抜けて観測器内部に到達してしまう高エネルギー粒子や、強烈な光量のために除去しきれなかった太陽紫外線などによるノイズの除去にも大きな効果があります。
“あらせ”搭載イオンエネルギー質量分析器は、これらの手法を応用し、高い感度と高いノイズ除去性能を併せ持つように電極の形や配置を設計することで、高エネルギー粒子が飛び交う放射線帯（バン・アレン帯）の中であっても質の良い観測データを得ています。
この研究では、宇宙嵐が発生すると、高度40000キロ以下の内部磁気圏で地球起源のプラズマが主成分となり、宇宙嵐自体の発達に影響を及ぼしている可能性が示されました。
では、地球起源のプラズマは宇宙嵐開始時にどのように電離圏から磁気圏に運ばれ、宇宙嵐の発達にどのような影響を与えているのでしょうか？
この問題は、今後解明する必要があります。
地球起源のプラズマは高度100キロから数百キロに存在する電離圏から、宇宙空間に向かって流出していると考えられています。
ところが、電離圏イオンがどのような経路でどこに流出してゆくのかは、ほとんど分かっていないんですねー
また、電離圏イオンのエネルギーは低いので、そのままでは地球の重力に逆らって宇宙空間に流出することが出来ないはずです。
このため、宇宙空間に流出するには、何らかの方法で電離圏イオンが加速される必要があります。
でも、そのメカニズムも不明のままになっています。
これは加速前の電離圏イオンや加速中の電離圏イオンのエネルギーが、これまでのイオンエネルギー分析機の観測可能エネルギー帯よりも低く、観測例が少ないことが原因の一つです。
現在、研究チームが開発を進めているのは、“あらせ”搭載のイオンエネルギー質量分析器の開発で得た経験をもとに、低いエネルギー帯をカバーし、さらには酸素イオンや窒素イオン、酸素や窒素の分子イオンといった電離圏に存在する重粒子イオンの区別が可能なイオンエネルギー質量分析器です。
これにより、人工衛星や観測ロケットで電離圏イオンや電離圏期限イオンを直接観測することを計画しているそうですよ。
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