2024年5月の太陽スーパー嵐時における火星電離圏の反応

遠方の太陽嵐が火星の空を揺さぶったとき

2024年5月、太陽で起きた巨大な嵐は地球の空に珍しいオーロラを描いただけでなく、火星にも襲来しました。本研究は、その太陽からのエネルギー放出がどのように赤い惑星の電気的に帯電した上層大気（電離圏）を劇的に再形成したかを示します。周回する探査機でほぼリアルタイムに事象を捉えたことで、火星の主要な電離圏層の一つで観測史上最大の増強が記録され、全球的な保護磁場を持たない惑星に対する太陽嵐の影響について新たな詳細が明らかになりました。

火星の空を通して“聴く”

火星の電離圏の反応を観察するため、研究者らは相互電波掩蔽と呼ばれる手法を用いました。これは一つの探査機がもう一方の探査機へ一定の無線トーンを送信し、その信号が惑星の大気を通過する際に屈折や減速を起こすことを利用するものです。信号が火星の地平線近くをかすめるとき、通過する帯電粒子の量に応じて微小な変化が生じます。これらの微細な変化を精密に測定することで、電子密度の鉛直プロファイル、つまり約80キロメートルから数百キロメートルに及ぶ電離圏の音響図が再構成できます。2020年以降、Mars ExpressとExoMars Trace Gas Orbiterのミッションは週に一度程度の頻度でこうした観測を行い、季節や太陽活動に伴う火星電離圏の基準的な像を着実に蓄積してきました。

スーパー嵐の到来

2024年5月上旬、太陽は一連の激しい噴出を起こしました：強力なフレア、高速粒子の噴出、そしてコロナ質量放出（CME）と呼ばれる大規模なプラズマの塊です。これらの事象は地球で何十年ぶりかの激しい磁気嵐を引き起こし、短時間のうちに火星の周辺宇宙環境も乱しました。5月15日、Xクラスフレアの放射が火星に到達してからわずか10分後、2機の欧州探査機はシシフィ平原南部上空で予定された電波掩蔽観測を実施しました。その幸運なタイミングにより、嵐の放射がピークに達する直後の火星電離圏のスナップショットが得られ、研究チームは同様の照明条件下で取得した多数の以前の穏やかな観測とこの「嵐プロファイル」を比較することができました。

隠れた層での記録的な増強

最も顕著な変化は、火星の二つの主要電離圏層のうち低位にあるM1層（高度約90〜110キロメートル付近）に現れました。嵐の間、この層の電子密度のピークは通常の約2.8倍に膨れ上がり—観測史上最大の増強—同時に約6.5キロメートル上昇しました。上位のM2層（約150キロメートル付近）は約45％の増加にとどまり、上方への移動も同程度でした。NASAのMAVEN探査機による軟X線観測は、到来したX線エネルギーが約3倍に増加したことを示しましたが、これは従来の理論がこのような大きなM1反応を説明するために想定していた必要量よりはるかに小さい値です。この不一致は、従来のモデルが太陽からの高エネルギー光が誘発する“二次”電離（高エネルギー電子が薄い火星大気内で追加の衝突と電離の連鎖を引き起こす効率）を過小評価していたことを示唆します。

加熱、高高度での波紋、変わらなかった点

M1層の増強に加えて、嵐はいくつかの他の痕跡も残しました。M1とM2の両ピークが上方にシフトし、下層の中性大気の加熱と膨張を示唆しています—これはCMEとそれに伴う粒子擾乱が一日以上にわたって火星を揺さぶった遅延的な効果と考えられます。高度約245キロメートル付近にはより小さいが明瞭な増強が見られ、著者らはこれは太陽風が火星上層大気を擦過する際の不安定化や、歪んだ磁力線に沿って外向きに流れるイオン流に関連している可能性を示唆しています。一方で、驚くほど安定していた点もあります：M2層の上部は強く圧縮されず、約100キロメートル以下の下層中性大気には大規模な構造変化が見られず、M1とM2のピーク間の全体的な間隔もほとんど変わりませんでした。

今後の火星ミッションにとっての意義

一般読者にとっての要点は、火星の上層大気、特に下位の電離圏層が太陽嵐に対して従来考えられていたよりはるかに敏感であるということです。太陽のX線の突発は、直接的な電離だけでなく二次的な衝突の連鎖を通じてこの領域を急速に増幅させ、周囲の大気を加熱して膨張させ得ます。これらの影響を理解することは、将来のロボット探査や有人ミッションを計画するうえで重要です：無線通信や航法信号、さらには探査機に対する大気抵抗まで、こうした嵐の間に変化する可能性があります。本研究は、定期的で高精度な監視により希少な事象を現場で捉え、太陽が岩石惑星の環境—今日の火星、そしておそらく他の世界—をどのように形作るかについてのモデルを改良できることを示しています。

引用: Parrott, J., Sánchez-Cano, B., Svedhem, H. et al. Martian ionospheric response during the may 2024 solar superstorm. Nat Commun 17, 2017 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69468-z

キーワード: 火星の電離圏, 太陽嵐, 太陽フレア, 宇宙天気, 電波掩蔽法