#18-B 惑星間空間の磁力線
Interplanetary Magnetic Field Lines

磁力線保存の法則
The Law of Field Line Preservation

　地球の磁場の影響を離れ、宇宙へ飛び出した探査機は、 惑星間空間で弱い磁場があるのを観測します。 この磁場は、弱いながらもとても遠くまで広がっていて、 周囲にさまざまな影響を与えています。 観測された磁力線の向きを見れば、この磁場が太陽から来ていて、 太陽風によって引っぱり出された磁力線によって 運ばれてきた磁場だということがわかります。
When a spacecraft breaks away from the influence of the Earth's magnetic field into interplanetary space, it finds there a weak magnetic field. The field may be weak, but it extends over huge distances, and can have important effects. From the observed direction of interplanetary magnetic field lines, we believe this field comes from the Sun, carried by magnetic field lines dragged out by the solar wind.

磁力線の形を求めるため、 太陽から磁力線を引っぱり出す過程を説明しましょう。
Here this "dragging" process will be explained, and it will be used to obtain the expected shape of those field lines.

けれども、磁場の方が弱ければ、プラズマが支配的になって 周囲の磁力線を曲げてしまいます。始めに同じ磁力線にいた2つ以上のイオンは、 いつまでも同じ磁力線上にある、という法則がだいたい成り立っているので、 イオンが動こうとすると、磁力線が変形します。
But if the field is weak, then the plasma rules and pushes the field lines around. A rule which is fairly well obeyed states then that if two or more ions start out located on the same field line, they will always share the same field line. If they then manage to move, the field line gets deformed.

(これをお読みの宇宙空間物理学者の皆さん:磁力線の変形は電場も生みます。)
(For any space physicist reading this: the deformation process also involves electric fields.)

磁力線保存の法則を使って惑星間空間磁場の磁力線の形を描きましょう。
Using this "law of field line preservation", we will now derive the shape of interplanetary magnetic field lines.

1. 紙に直径２センチくらいの丸を描いてください。 これは北極のはるか上空から見た太陽です。27日に１自転するとすれば、 １日あたり 360°/27 = 13.3° 回転します。
   In the middle of the bottom (short side) of a sheet of paper, draw a small circle, about one inch across: that will represent the Sun, viewed from far above its north pole. If the Sun rotates once in 27 days, then each day it rotates by
   360°/27 = 13.3°

   太陽の中心から上にまっすぐ線を引いてください。 その両側に３本ずつ太陽中心から放射状に出る新しい線を引きます。新しい線は、 隣どうし13.3°離れた角度になるよう、分度器と定規を使って描いてください。
   Draw from the center of the Sun a line perpendicular to the bottom of the page, extending most of the way to the top. Using a protractor and a ruler, draw on each side of that line 3 additional radial "spokes" from the center of the Sun, each making angles of 13.3° with its neighbors.

(別の方法:) 横軸をx軸、縦軸をy軸とした直交座標系の 原点に半径1cmの太陽を描き、y=10cmの位置に薄く横線を引きます。この横線上、 y軸から左右に2.37cm,5.02cm, 8.39cm の位置にそれぞれ点を打ち、太陽中心と これらの点を結ぶ線をなるべく長く引きます。
(Alternative method: Let center of the Sun be the origin of a system of cartesian coordinates, with the x-axis parallel to the bottom of the page. Draw the two axes, with the y-axis extending to near the top of the page. With a pencil, draw faintly the line y=4, parallel to the x axis but 4" (4 inches) above it.
    On that line mark points at distances 15/16", 2" and 3 3/8" on both sides of the y-axis, then draw radial lines from the center of the Sun through those points, extending them until they are 1/2" from the sides of the sheet or 1" from the top.
    For those used to metric units, let the radius of the Sun be 1 cm (diameter=2cm), the pencil line follows y=10 cm and the marks on it are at distances of approximately 23.7, 50.2 and 83.9 millimeters from the y-axis. Extend the lines until they reach within 1 cm of the sides or 3 cm of the top.)

(急ぐ時はこの図 をダウンロードしても良いです。）
(As a shortcut, you can download the drawing here.)

2. それぞれの線が太陽の円から出てくる位置に印をつけ、そこから3cm間隔で 線の上に印をつけていってください。この3cmの間隔が、太陽風が１日に進む 距離になります。
   On each of the spokes, mark the point where it emerges from the Sun, and mark from there, along each spoke, additional points at intervals of 1.5 inches. Each interval marks the distance the solar wind covers in one day.

   （このスケールだと太陽が大きすぎるような気がしますね。確かにそうなんですが、 そのための誤差はここでは無視することにします。実際、太陽風は、太陽の表面ではなく もっと遠くからスタートするのです。）
   (Yes, the Sun is drawn much too big on this scale, but we will ignore the difference this makes. Besides, the solar wind does not start moving from the Sun's surface, but from some greater distance.)

   これらの点では磁場はすでにかなり弱く、太陽風プラズマの方が力があり、 磁力線の位置をずらしていきます。一方、外へ吹き出すという プラズマ自身の流れは変わらないままです。 では、この磁力線の形を求めてみましょう。
   The magnetic field at all these points is already so weak that the solar wind overpowers it and shifts its field lines, while its own motion--radially outward--remains unchanged. We will now derive the shape of those lines.

3. 今、太陽を北から見ていることになり、太陽は地球と同じ向きに回るので、 この図の上では時計回り？それとも反時計回り？どっちでしょう、、、。 どっちなのか自分で考えて決めて、図に回転方向を書いてください。 他の人のは見ちゃだめです。
   Since the Sun is viewed here from north, and it rotates in the same sense as the Earth, on this scale drawing, does it rotate clockwise... or counterclockwise?
       Decide for yourself and write it down--no peeking!

線に目印をつけていく
Marking the Spokes

4. 右端の線が太陽から出るところに１と目印をつけましょう。 このあと、この場所の同じ磁力線上に7個のイオンが次々に登場します。 これから7日かけて、7個全部が１日おきに飛び出して太陽風になると考えてください。 １日目は１個のイオンがちょうど外に出始めたばかりで､ 他のイオンはまだ太陽面上にいます。
   Mark with the number 1 the point where the line furthest to your right emerges from the Sun. You are told that 7 ions are located at that point, close to each other and on the same magnetic field line. You are also told that in the coming week, all 7 are destined to join the solar wind, one day apart. On day one, however, they are all still at the starting point, although one ion has just started moving outwards

5. ２日目には、 １個めのイオンは自分の線上をまっすぐ外向きに進んで､ １段目の目印のところにいます。それ以外のイオンは､ 太陽が反時計回りに自転しているので､１本左の線上にいます。 ２個めのイオンがちょうど外に出始めたところで、２番目の直線の根元にいます。 両方のイオンの場所に､２日目の「２」を書きましょう。
   Go to the next "spoke" on the left of the first one. The Sun rotates counterclockwise (yes!), so on day 2 all of them are at the base of that line--except for the one which started the previous day, which has moved radially and is now at "first base," the next point on the first line. Also, still another ion has just started moving outwards from the starting point. Mark both points with the number 2.

   ３日目には、 １個めのイオンは１本目の直線の２段目の目印のところにいます。 ２個めのイオンは２本目の直線の１段目の目印のところまで進んでいます。 その他のイオンは、太陽の自転のため､すべて３本目の直線の根元にいます。 ３個めのイオンが外に向かって動き始めたところです。 これら３箇所に､３日目の「３」を書きましょう。
   On day 3, the ion which started out first is at "second base," and the one which started on day 2 is at the first point out on its spoke. All others are at the base of the 3rd spoke, to which the Sun has now rotated, and one more ion has just begun to move. Mark all three point with the number 3.

   ４日目には、太陽は４番目の直線まで自転していて、残り４個のイオンが この直線上にいて、４番めのイオンが動き始めたところです。 すでに太陽から離れている他の３つは、それぞれ１段ずつ先に進んでいます。 これらのイオンのいる場所に､４日目の「４」を書きましょう。
   On day 4, the Sun has rotated to the 4th spoke and 4 ions remain at the base point of that spoke, including one which is just starting to move. The other three, in the order they were released, are at 3rd, 2nd and 1st "base." Mark all four points with the number 4.

   以下同じように、５日目､６日目､７日目､と作業してください。 「５」の印は､５日目にイオンがいる場所となります。 紙からはみ出してしまうときはしかたないのでギブアップですね。
   And so on, day after day. The points marked 5, for instance, are where the particles are on the 5th day. Obviously, you must give up on marking any ions which have gone past the limits of the paper.

   直線１本１本には、その直線上の粒子がその日にどこまで進んだかを示す日付が 入ったはずです。印のついていない残りの点にも８、９、、と印をつけても良いです。
   Each of the radial lines is now marked with the day on which "its" particle reaches each marked point. If any unmarked points are left, you may, if you with, extend the marking further (8, 9, ...), to days for which we have no starting particle.

磁力線のらせんを描く
Spiral field lines

6. では、赤ペンで、２という印のついた点どうしをつなぎましょう。同様に、 ３とか４とか５、６、７、という印のついた点どうしも、 ８とか９とか１０と書いた点も線でつなぎましょう。 ここで、6の印のついた点に注目してください。これらの点は、 出発後５日たったイオンの居場所を示しています。５日というのは、 だいたい、最初のイオンが地球に到着する日数です。 最初に同じ磁力線上にあったので、 ５日後も、これらのイオンはみな 同じ磁力線上にいます。 ですから、今赤ペンで描いた線は、 惑星間空間磁場の磁力線の形になっているのです。
   Now connect--preferably with a red pen, or in some color different from that of the rest of the drawing--all points with the number 2, also the ones with 3, 4, 5, 6 or 7, and perhaps also those with 8, 9 and 10. Take those marked 6: they show where the ions are after 5 days have passed--about the time the first of them reaches Earth's orbit. Since at the beginning they were all on the same magnetic field line, after 5 days they still are. The line you have drawn therefore gives the expected shape of an interplanetary magnetic field line.

   線を引く時、まっすぐな定規を使って構いません。実際のの磁力線は なめらかにカーブを描いていますが、直線でつないでも、 らせん状の形になっていることがちゃんとわかりますね. この形は、地球付近での観測結果と良くあっています。 太陽風の流れの方向に対し、惑星間空間磁場は、 ふつう４５度の方向を向いているのです。今描いた形とよく似ていますね。 言い換えると、太陽を出発して５日たって、１億５千万キロも離れても、 磁力線は太陽の自転を「おぼえて」いるのです。
   You may use a straight ruler for the connection: the actual lines curve smoothly, but even with lines composed of straight sections it becomes clear that the shape is a spiral. This agrees with observations at the Earth's orbit, where the average interplanetary magnetic field is found to make an an angle of 45° with the flow of the solar wind, similar to what the drawing shows. In other words--after being 5 days on their way, and reaching 150,000,000 km from the Sun, the magnetic field lines still "remember" the Sun's rotation.

7. 磁力線は，その後何か月たっても、太陽風が土星や天王星の軌道を駆け抜けても， まだ太陽の自転を「おぼえて」います。今描いた実験を、それくらい遠くの距離まで続けていくと、 らせんの巻きかたがどんどんきつく巻くようになり、最後は円のようになってしまいます． 探査機ボイジャー２号は、実際に同じ事が起こっていることを示してくれました。
   They "remember" it for months afterwards, even as the solar wind speeds past the orbits of Saturn and Uranus. If you continue this graphic excercise to such large distances, you will find that the spiral gets wound tighter and tighter, until the field line direction is very close to that of circles around the Sun. The space probe Voyager 2 has shown that this indeed does happen.

太陽からの距離が遠くなればなるほど、磁力線のらせんの巻きが きつくなって、最後にはほとんど円とおなじになってしまうことも見ましたね。
It was also noted that with increasing distance from the Sun, the spiral shape of interplanetary magnetic field lines becomes more and more tightly wound, until their shape differs little from circles.

この２点は、１９９８年４月から５月にかけて起こった強い太陽活動後の現象に はっきり示されています。この現象はジョンスホプキンス大学応用物理研究所の ロバート・デッカーによって報告されています。 この太陽活動は、太陽風中の擾乱と、太陽風速度の千倍ものエネルギーをもつ プロトンを発生させました。これらは、地球の近く（太陽から１天文単位）の ラグランジュ点にいたACEや、太陽から５天文単位にいた ユリシーズ、５６天文単位にいた ボイジャー２号や７２天文単位にいたボイジャー１号によって観測されました。
Both points were well illustrated by the phenomena that followed intense solar activity in April-May 1998, reported by Robert Decker of the Applied Physics Lab of the Johns Hopkins University in Maryland. That activity created a disturbance in the solar wind, as well as a flow of protons with energies about 1000 times that of the solar wind, and these were observed by a number of spacecraft--ACE at the L1 Lagrangian point (near Earth, distance from the Sun about 1 AU), by Ulysses (5 AU), and by Voyagers 1-2--Voyager 2 at 56 AU and Voyager 1 at 72 AU.

この太陽風擾乱は、太陽風の速度でまっすぐ外向きに伝搬して ７か月半後にボイジャー１号に到着しました。一方､プロトンは、それより かなり速く動いていたけれども、個数数が少なかったので、 磁力線に沿って動くことしか出来ず、磁力線のスパイラルに沿って回りながら 伝搬していきました。このプロトンは６ヵ月後、つまり 太陽風が到着する1.5か月前にボイジャー１号に到着しています。 デッカー博士はこのスパイラルに沿った経路は太陽の周りを10周もしており､ 合計の距離はなんと2000天文単位にも達することをはじき出しました。
The solar wind disturbance arrived at Voyager 1 about 7.5 months later, propagating radially at the velocity of the solar wind flow in which it was embedded. The protons, on the other hand, although they moved much faster, were relatively few in number, which forced them to spiral along field lines. They were observed by Voyager 1 after 6 months--1.5 months before the disturbance in the solar wind reached that distance--and Dr. Decker calculated that their spiral path took them 10 times around the Sun, a total distance of about 2000 AU.