放射線帯の「破れない壁」が、2024年5月の巨大磁気嵐で破られていた。日本の衛星「あらせ」が見たのは、外から押し入る電子ではなく、壁の内側で生まれる電子だった

2026.10.31
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2024年5月の大きな磁気嵐を覚えている人は多いと思います。日本の各地でもオーロラが見え、北海道だけでなく本州の空まで赤く染まった夜でした。あの嵐のとき、地球のすぐ近くの宇宙空間で、「起きないはず」のことが起きていました。名古屋大学宇宙地球環境研究所の三好由純さんらの国際チームが、日本の探査衛星「あらせ」のデータから見つけた話です。論文は2026年10月26日に Geophysical Research Letters に掲載されました。

地球に近い宇宙空間には「破れない壁」がある

地球のまわりには、地球の磁場につかまった高エネルギーの電子やイオンが集まる「放射線帯」があります。ヴァン・アレン帯と呼ばれることもあります。中でも、数メガ電子ボルトという高いエネルギーを持つ電子は、光に近い速さで飛び回り、人工衛星の電子機器を壊すことがあるので、宇宙天気の世界では「キラー電子」と呼ばれて警戒されています。

この電子は、高度およそ1万8,000kmから3万kmのあたりに分布していて、磁気嵐のたびに大きく増えたり減ったりします。ところが、それより地球に近い高度1万2,000kmより内側には、どんな嵐が来てもほとんど入り込みません。2014年に報告されたこの境界は、研究者のあいだで「インペネトラブル・バリア」、日本語にすれば「破れない壁」と呼ばれてきました。

壁があるのには理由が2つあります。1つは地球自身の強い磁場で、外から近づいてくる電子の動きを遅くします。もう1つは、この領域をふだん満たしている「プラズマ圏」です。地球の電離圏から湧き上がった、低温で密度の高いプラズマの層で、高エネルギーの電子がたとえ入り込んでも、このプラズマが生む「ヒス」という別の電波にはじかれて、すぐに大気へ落とされてしまいます。磁場とプラズマ圏、2人の門番がいるわけです。

放射線帯の「破れない壁」が、2024年5月の巨大磁気嵐で破られていた。日本の衛星「あらせ」が見たのは、外から押し入る電子ではなく、壁の内側で生まれる電子だった

2024年5月、壁の内側に電子が現れた

「あらせ」は2016年12月に打ち上げられた JAXA のジオスペース探査衛星で、放射線帯の電子を広いエネルギーの範囲で測るだけでなく、磁場、プラズマの波、プラズマの密度も同じ機体で測ります。この組み合わせが、今回の話の決め手になりました。

研究チームが2017年からの観測を並べてみると、ふつうの磁気嵐では壁の内側に高エネルギーの電子は現れません。ところが2024年5月の嵐では、約3メガ電子ボルトの電子が壁の内側ではっきり増えていました。2003年のハロウィン嵐のときにも、低い高度を飛ぶ衛星が壁の内側で電子の増加の痕跡を拾っていましたが、その場所の宇宙空間で直接見た衛星はありませんでした。

ここで問いが1つ出てきます。その電子は、壁の外から押し込まれてきたのか、それとも壁の内側でその場で加速されたのか。見分けるには「位相空間密度」という量を使います。電子の分布を、位置とエネルギーの両方で数え直した量で、外から運ばれてきただけなら、外側から内側へなだらかに減っていくはずです。逆に、ある場所でだけ山ができて、それが時間とともに高くなっていけば、電子はそこで作られています。

電子は、壁の中で生まれていた

「あらせ」のデータから位相空間密度を出すと、嵐の回復期に入ってから、壁のすぐ内側の高度およそ1万2,000kmのところにはっきりした山が立ち、それが時間とともにその場で伸びていきました。外から運ばれただけでは説明がつかない形です。電子は壁の中で、数メガ電子ボルトまで加速されていました。そのあと、電子は山を中心に地球側と外側の両方へ広がっていきます。

では、何が加速したのか。同じ場所、同じタイミングで、「あらせ」は「コーラス波」という電波を強くとらえていました。磁気圏で自然に生まれる電波で、音に変換するとスピーカーから小鳥のさえずりのような音が聞こえることから、この名前がついています。コーラス波は電子と共鳴して、電子を高いエネルギーまで押し上げることが知られています。ただし、ふだんは壁の外側でしか発生しません。

鍵は、2人の門番のうちプラズマ圏のほうが崩れていたことでした。この嵐では、プラズマ圏が地球側へ大きく縮みました。それ自体はよくあることで、ふつうなら2日ほどで元に戻ります。ところが今回は、高度数百kmの電離圏で電子の密度が大きく減る「負の電離圏嵐」が同時に起きていて、プラズマ圏に補給されるプラズマが足りなくなりました。研究チームの見積もりでは、観測していた領域の密度が嵐の前の半分以上に戻るまで4.3〜4.7日かかっています。ふだんの2倍以上です。

門番が不在の数日間、本来は濃いプラズマに満ちているはずの壁の内側が、薄いプラズマの空間になっていました。薄いプラズマの中では、コーラス波が電子にエネルギーを渡しやすくなります。こうして、壁の内側にコーラス波が立ち、そこにいた電子が数メガ電子ボルトまで加速された、というのが研究チームの描く筋書きです。磁気嵐がプラズマ圏を縮め、電離圏の異常が回復を遅らせ、その隙にコーラス波が働く。別々に見えた3つの現象が、1本の鎖でつながっています。

放射線帯の「破れない壁」が、2024年5月の巨大磁気嵐で破られていた。日本の衛星「あらせ」が見たのは、外から押し入る電子ではなく、壁の内側で生まれる電子だった

「安定した場所」が放射線の源になる

この結果が意味するのは、これまで安定していると考えられてきた地球に近い宇宙空間も、極端な宇宙天気の下では高エネルギー電子の新しい発生源になりうる、ということです。高度1万2,000km以下というのは、国際宇宙ステーションよりずっと高く、GPS などの測位衛星よりは低い場所です。三好さんは名古屋大学の発表で、こうした知識は宇宙機の放射線リスクを見積もるうえで重要だと述べています。

研究チームは今後、観測と物理シミュレーションを組み合わせて、どんな条件で壁の内側の加速が起きるのか、加速された電子がどこまで広がり、どれくらいの期間残るのかを調べていくとしています。JAXA の発表によれば、電離圏と磁気圏のつながりを調べるという課題は、いま検討されている極域の探査ミッション FACTORS にも共通するものだそうです。

2024年5月の嵐は、2003年以来最大級と言われています。地上ではオーロラという目に見える形で現れましたが、地球のすぐ近くの宇宙空間では、10年以上「破れない」とされてきた壁が、音に変えれば鳥の声のような電波によって内側から破られていました。あの夜の赤い空については、日本の夜空に広がった赤いオーロラの高さを調べた研究も以前に紹介しています。

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宇宙・天文
Geophysical Research LettersJAXAあらせコーラス波プラズマ圏ヴァン・アレン帯名古屋大学宇宙天気放射線帯磁気嵐
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