地球近傍でO+が90%以上を占める極端状態と新たな供給メカニズムを発見
国際宇宙惑星環境研究センター
尾花由紀 特任准教授
ポイント
・地球超高層大気では、高度200～300km付近で太陽極端紫外線によって酸素原子が電離し、酸素イオン(※1)（O＋）が生成される。このO＋は、磁気嵐(※2)に伴う超高層大気の加熱によって、一部が宇宙空間へ輸送され、宇宙空間にO＋の増加をもたらす。
・2024年5月10–11日に発生した巨大磁気嵐（Mother’s Day Storm）時に、地球近傍宇宙空間でO＋が異常増加していたことを発見。
・地上磁力計ネットワークとジオスペース探査衛星「あらせ」(※3)の観測を組み合わせることで、地球近傍の宇宙空間（内部磁気圏）における極端なO＋増加を世界で初めて詳細に観測した。
・観測された平均イオン質量は地球半径2.2倍の領域で約15 amu(原子質量単位：atomic mass unit) に達し、プラズマの90%以上がO＋で構成されていた可能性を示唆。
・通常、O＋増加は磁気嵐回復相(※4)に、より外側（地球半径3－4倍程度）の領域で観測されることが多く、O＋の割合も10-20％程度である。今回は、磁気嵐主相(※4)かつ地球近傍で発生しており、極めて特異な現象。
・宇宙の粒子観測と電離圏観測の解析から、比較的エネルギーの高いイオンによる電子加熱を介した、新たなO＋供給メカニズムの存在を示唆。
・本成果は、巨大磁気嵐時の宇宙環境変動の理解を大きく前進させるとともに、人工衛星障害や宇宙天気予報研究への貢献が期待される。
概要
九州大学国際宇宙惑星環境研究センター（i-SPES）の尾花由紀特任准教授らの研究グループは、ニュージーランドを中心とした地上磁力計観測網と、JAXAのジオスペース探査衛星「あらせ」の観測データを組み合わせることで、2024年5月10–11日の巨大磁気嵐時に、地球近傍宇宙空間で酸素イオン（O＋）が異常増加していたことを発見しました。
解析の結果、ニュージーランド上空の地球半径約2.2倍付近の宇宙空間において、プラズマ質量密度が約35,000 amu/cm3に達する極端な高密度状態が発生していたことが明らかになりました。さらに、「あらせ」衛星による電子密度観測と組み合わせた解析から、この領域では平均イオン質量が約15 amuに達しており、プラズマの90%以上が酸素イオンで占められていた可能性が示されました。
酸素イオンの増加は通常、磁気嵐回復相に地球半径3–5倍程度の比較的外側の領域で観測され、その割合も10–20%程度とされています。これに対し、今回は磁気嵐主相中に、地球半径約2.2倍の地球近傍でO＋が90%以上を占める可能性が示され、従来想定されていなかった極端状態であることが分かりました。
さらに、「あらせ」衛星およびDMSP衛星(※5)の観測から、数keV程度の比較的エネルギーの高いイオンと冷たい高密度プラズマが共存していたことや、電離圏全電子数（TEC）の減少・電離圏電子温度の上昇も確認されました。これらの結果は、比較的エネルギーの高いイオンによる電子加熱を介して、電離圏から酸素イオンが効率的に供給されていた可能性を示しており、新たなO＋供給メカニズムの存在を示唆しています。
今回の発見は、巨大磁気嵐時における地球周辺宇宙環境の理解を大きく前進させるとともに、人工衛星障害や高エネルギー粒子環境変動に関わる宇宙天気研究への貢献が期待されます。
本研究成果は、Springer Nature社刊行の国際学術誌『Earth, Planets and Space』に2026年5月23日（土）（現地時間）に掲載されました。
用語解説
(※1)酸素イオン（O＋）
地球超高層大気では、太陽紫外線などによって酸素原子が電離し、O＋（酸素イオン）が生成される。水素イオンの16倍の質量を持つ重いイオンであり、磁気圏内の波動や高エネルギー粒子環境に大きな影響を与える。
(※2)磁気嵐
太陽面での爆発現象などによって太陽風が強まり、地球周辺の宇宙環境が大きく乱される現象。強い磁気嵐では低緯度オーロラが出現し、人工衛星障害や通信障害などを引き起こす場合がある。
(※3)ジオスペース探査衛星「あらせ」
JAXAが2016年に打ち上げた科学衛星。地球近傍宇宙空間におけるプラズマ、波動、高エネルギー粒子などを観測している。
(※4) 主相・回復相
磁気嵐が急激に発達する期間を「主相」、その後ゆっくり元の状態へ戻る期間を「回復相」と呼ぶ。
(※5)DMSP衛星
米国が運用する極軌道衛星群。電離圏プラズマや電子温度、オーロラ粒子などを観測している。
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国際宇宙惑星環境研究センター（i-SPES） 尾花由紀 特任准教授
