オーロラは、太陽の光を雲が反射した模様ではありません。宇宙空間から来た電気を帯びた粒子が、地球の上空の大気と関わり、大気の成分が光を出す現象です。「光がどこから届いたか」だけでなく、「どこで新しく光が出たか」を分けて考えます。
写真では緑や赤の帯が、カーテンのように見えることがあります。しかし、布のような物が空に浮いているわけではありません。発光している範囲を地上から見た姿です。写真の色や形を、そのまま物体の色や輪郭と考えないようにしましょう。
太陽との関係を、一種類の矢印にしない
太陽からは光だけでなく、電気を帯びた粒子の流れも放出されています。地球の周囲には磁場があり、粒子の動きと関係しています。オーロラを理解するときは、太陽、地球の周囲の宇宙空間、上空の大気という段階を分けておきます。
細かな過程は複雑で、すべての粒子が太陽から地球へ一直線に飛び、そのまま見えているという説明では足りません。ここでは「地球の磁場に関わる粒子が上空へ入り、大気が光を出す」という流れを押さえます。太陽光の反射を描く場合とは、矢印が表すものが異なります。
大気が光る色には、成分や発光の仕方が関わります。同じ色が写真に写ったからといって、同じ高さ、同じ明るさ、同じ条件だと即断することはできません。カメラの感度や露出時間も、写る姿に影響します。
地上で見えない日も、発光ゼロとは限らない
観測では、現象が起こることと、それを観測者が見つけることを区別します。上空でオーロラが生じていても、手前の雲に遮られれば地上のカメラに写らないことがあります。空が明るすぎる、観測方向が違うという条件もあります。
「写真がない日＝オーロラが発生しなかった日」とすると、記録の空白を現象のゼロに置き換えてしまいます。観測可能だった夜、曇っていた夜、装置が動かなかった夜を分けることが、割合を求める前の仕事です。
例題1：観測できた夜の割合を求める
ある観測地の仮の記録で、20夜のうち8夜は雲のため観測できず、残り12夜のうち3夜でオーロラを確認しました。「観測可能だった夜のうち、確認できた割合」を求めてください。また、見られなかった17夜にオーロラは発生しなかったといえますか。
答え・解説：3÷12＝0.25なので25％です。求める分母は観測可能だった12夜です。3÷20＝15％は、全20夜に対する確認夜の割合で、違う問いへの答えになります。
17夜すべてで発生しなかったとはいえません。とくに8夜は観測できていないからです。さらに、観測できたのに確認できなかった夜も、見ていた範囲や感度の限界があります。確認数と発生総数を同じものとして扱わないことが大切です。
例題2：コマの数と、間隔の数
オーロラの変化を、0秒、20秒、40秒、60秒、80秒の五枚の画像に記録しました。最初の画像に写った発光域の端が、最後の画像では、同じ高さにあるという仮定で24km離れた位置に見えました。画像上の位置の変化から求める平均の速さはいくらですか。
答え・解説：最初から最後までは80秒です。24÷80＝0.3km/秒、つまり300m/秒です。画像が五枚でも、間隔は四つなので20×5にはしません。
これは発光域の見かけの位置が移った速さです。ひとまとまりの空気や同じ粒子が、必ず300m/秒で横へ移動したとはいえません。次々に別の場所が光ることでも、模様の移動は起こります。点灯する場所が順番に変わる電光掲示板を考えると、模様と物の移動の違いが分かりやすくなります。
高さの仮定も、結果の一部
一枚の写真には、空を見る方向が記録されています。そこから地上何kmの位置かを決めるには、発光する高さなどの情報が必要です。例題2の24kmも、高さの仮定を含む数値でした。画面の端から端まで何cm動いたというだけでは、空間の速さへ直せません。
珍しい自然現象の資料でも、読む手順は特別ではありません。光を出している所、途中を遮る物、撮影する装置、数値へ変換するときの仮定を順にたどります。きれいな写真を眺めたあとに、何が測れているのかまで言葉にしてみましょう。
自ら出る光と反射光は蛍光・蓄光の見分け方、空を通る光への影響は星のまたたきと大気につながります。
写真の明るさを比べたいなら、露出時間にも注目できます。弱い光を長く集めた画像と、強い光を短く集めた画像が、似た明るさになる場合があります。撮影時間をそろえずに写真の画素の明るさだけを引き算しても、発光の強さの差とは限りません。観測装置の記録は、自然現象と装置の設定の両方を反映しています。