７月度その２：北方磁場強度シリーズ ➡ 低緯度グアムGUAとサンファンSJGの北方磁場強度がLT昼間に最大を示す原因は？ ➡ 酸素やオゾンの磁気モーメント！！！

今回は、低緯度グアムGUAとサンファンSJGの北方磁場強度３日間変化がLT昼間に最大値を観測する原因を探ります

従来、太陽光による磁力線空間の圧縮、といった説明を繰り返してきたのですが、これは完全なる過ちでした！

以下、ご説明申し上げたくお付き合い頂けますよう、よろしくお願い致します

１．各種高度マップ

まず各種の高度マップを提示します

図１：各観測点_磁力線高度マップ

グアムGUA　24km(磁気赤道上)　 22km(地軸赤道上)

サンファンSJG　615km(磁気赤道上)　572km(地軸赤道上)

図２：ユーザーガイド | 電離圏 | 宇宙天気予報 さんより電離圏高度マップ(700kmまで)

図３：gas science さんより120kmまでの大気圏高度マップ

カーマンラインとは単に高度100kmの事を示す

この領域は同一域にダブった名称が付けられているので初めての人は混乱する

図４： 電離層 - Wikipedia より、電離圏は熱圏・中間圏と被る名称

２．電離圏で磁場は凍結するか？

プラズマとは何か？どのような状態か？どこに存在するのか？をもう一度まとめてみると、プラズマ物理 - Wikipedia （これはとても良くまとめられたWiki）より

プラズマの要件とは：

プラズマはイオンと電子との混合物で電気的に中性な物質である。それが真にプラズマらしく振る舞うには次の3つの要件を満たさなければならない。

その物質系の大きさ L がデバイの長さ λ_D より充分大きくなければならない。すなわち L ≫ λ_D。

考えている現象の時間スケール t がプラズマ振動の周期よりも長くなければならない。すなわち t ≧ 1/ω_pe。

半径が λ_D の球の中の粒子数 Λ が充分大きくなければならない。すなわち Λ ≫ 1。Λ をプラズマ・パラメタという。

これらの要件の意味は次の通りである、と続き、

要件１のデバイ長は デバイ長 | 天文学辞典 の方が分かりやすく、

多数の荷電粒子がクーロン力のもとで運動しているプラズマにおいて、個々の荷電粒子のつくる電場の影響が及ぶ特徴的な距離。電子が温度 T、密度 nであるプラズマに対してMKSA単位系で

λdebye = (ε0 kB T/n e^2)^1/2

で表される。ここで ε0 は真空の誘電率、 kB はボルツマン定数、 T は温度、 n は電子密度、e は電気素量（素電荷）である。

荷電粒子の周りには反対符号の電荷をもった粒子が集まる傾向があるため、ある距離だけ離れると電場の影響が遮蔽される。この距離がデバイ長である。デバイ長よりも大きな空間スケールでは荷電粒子の運動は電場の影響をほとんど受けないとみなすことができる。

要件２のプラズマ振動数とは、

（電子）プラズマ振動数 ω_pe はプラズマ振動の固有振動数で、その逆数 1/ω_pe は電気的中性が破れたとき、電子がそれに反応して中性を取り戻すのに必要な時間を表す。そこでこれより短い時間内では電気的中性が保証されず、プラズマらしく振る舞わない。従って、イオンと電子との混合物がプラズマとして振る舞うためには、考えている現象の時間スケール t が要件2を満たして充分に大きいことが必要である。

要件３のプラズマ・パラメタとは、

要件3は次のように考える。すなわち半径 λ_D の球の中の粒子数であるプラズマ・パラメタ Λ の値が1の程度だと、実際には他の荷電粒子は時々やってきてクーロン力を及ぼして去るだけであり、沢山の粒子の協同作用であるデバイ遮蔽などが実質的意味を持たない。逆に Λ の値が充分に大きければ、荷電粒子は常に沢山の粒子と作用を及ぼしあっていて、全体としてプラズマらしくまとまって行動する。これが上の条件の意味である。

そして、ここからが重要で、代表的なプラズマ例とその特性が示されます

図５：宇宙および地上のプラズマの代表的な例とその特性値

所在場所	n (m⁻³)	T_e (eV)	T_i (eV)	λ_D (m)	ω_pe (s⁻¹)	Λ	α
HII領域	10⁴–10¹⁰	~1	~1	10²–10⁻¹	10⁴–10⁷	10⁷–10¹⁰	~1
太陽コロナ	10¹⁴	10²	10²	7×10⁻³	5×10⁷	10⁸	1
地球軌道付近	2–5×10⁶	10	10	10	10⁵	10¹⁰	1
電離層（F2層）	10¹²	~0.1	~0.1	2×10⁻³	6×10⁷	10⁴	10⁻³
広告用ネオンサイン	5×10¹⁸	2.5	0.15	5×10⁻⁶	2×10¹⁰	10³	10⁻⁴
小型定常放電装置	10¹⁶–10²⁰	1–5	0.1–5	5×10^-3–10⁻⁶	2×10⁹–10¹¹	10²–10⁵	10⁻¹⁰–10⁻⁴
核融合炉（DT反応）	10²⁰	10⁴	10⁴	10⁻⁴	6×10¹¹	10⁸	1

ここで n は電子密度 (m⁻³)、T_e は電子温度 (eV)、T_i はイオン温度 (ev)、λ_D はデバイの長さ (m)、ω_pe はプラズマ振動数 (s⁻¹)、Λ はプラズマ・パラメタ、α は電離度を表す。

ここで生ずる疑問は、果して電離圏F2層は磁場の凍結を想定してもよい(電気伝導度無限大で理想MHDが適用できる)環境なのだろうか？という事である

ここで図５の電離圏F2層と地球軌道付近を見比べてみよう

地球軌道付近とは少なくとも地上昼間約6万km程度上空の地球磁気圏境界でGOES衛星の約3万5千kmより宇宙空間に近く、GOES衛星高度にて磁場の凍結が起きているので地球軌道付近でも磁場の凍結は当然起きていると見てよい、そこで、

・　まずF2層プラズマ・パラメタ Λ は地球軌道付近に比べ100万倍小さい事

・　そして電離度 α は1000倍小さい事

この２点からF2層（のみならず電離圏）で磁場はほとんど凍結しない（するとして高度800km付近の電離圏または熱圏最上層）と仮定して考察を進めます

３．電離圏で電子ジャイロ運動は機能しているか？

ここは難しい、分かりやすい解説が見当たらない！

そこで、上記の図５より磁場の凍結と同様にF2層について、プラズマパラメタが地球軌道付近より100万倍小さい、電離度は1000倍小さい、という磁場の凍結と同じ理由からF2層のみならず電離圏において電子ジャイロ運動は有効に働いていない、と仮定します

恐らく機能するのは電離圏最上部（熱圏最上部）約800km以上で、主として電子/水素/ヘリウムから構成され重力による分離が行われる領域から上であろう、と考えています

と申しますのも、東京大学プラズマ物理学講義レジュメ・江尻品さん(2003年度夏学期)

http://fusion.k.u-tokyo.ac.jp/~ejiri/ejiri/lectures/psec-all.pdf によれば、

磁場に垂直な面内では，粒子は Larmor 半径程度に広
がりが抑えられる。Larmor 半径がシステムの変化のス
ケールに比べて十分小さいとき，粒子は磁力線に沿って
動くと見なしてよい（案内中心近似）。従って，案内中心
（Guidinig Center）がどのように動くか（ドリフトする
か）が重要になってくる。