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宇宙環境・惑星圏科学分野　関華奈子研究室

宇宙環境・惑星圏科学分野　関華奈子研究室

宇宙天気現象の理解を通して人類のフロンティア拡大を支えハビタブル惑星成立の条件を探る

我々をとりまく広大な宇宙空間は、宇宙放射線が飛び交い、電磁場がプラズマ粒子と複雑に相互作用するダイナミックなプラズマの世界となっています。宇宙環境・惑星圏科学分野は宇宙時代の幕開けとともに急速に発展した学問分野であり、私たちの研究室では、科学衛星観測と独自の数値実験を組み合わせることによって、宇宙に普遍的なプラズマ現象の理解や、現代社会に不可欠となりつつある宇宙天気現象の研究や、地球型惑星からの大気散逸とハビタブル環境に与える影響の研究を重点的に行っています。

宇宙環境変動を引き起こす”宇宙天気”現象の研究

“宇宙天気”とは、宇宙および地上の技術システムの性能と信頼性に影響を与えたり、人間の生命と健康を危険にさらす可能性のある、変動する太陽表面、宇宙空間、そして惑星圏の状態のことを示しており、宇宙天気現象にはオーロラや宇宙放射線変動が含まれます。地球圏では、我が国のジオスペース探査衛星「あらせ」を軸とした衛星観測、地上観測、理論・数値実験の密接な連携による研究を推進しており、解決したい科学課題に合わせて多様なデータを組み合わせる総合解析的アプローチをとっています。惑星を取りまく宇宙環境は、その惑星がグローバルな固有磁場を持つか否かで様変わりするため、月から火星へと人類のフロンティアが拡大しようとしている現在、地球から惑星宇宙天気研究への拡張は喫緊の要請です。私たちの研究室では、NASAの火星探査機MAVEN等に参画し、観測と独自の数値実験を組み合わせて、火星オーロラなどの惑星宇宙天気現象の理解を目指しています。

太陽活動が惑星表層環境に与える影響を理解する宇宙気候研究

惑星が地球のように表層に海をたたえたハビタブルな表層環境を保つには大気が不可欠です。すなわち、第2の地球のレシピを明らかにするには、大気保持条件を規定する宇宙空間への大気散逸の理解が重要課題の一つです。特に提案されている様々な大気散逸メカニズムがどのように恒星活動や惑星固有磁場強度に依存するのかを知ることは、地球型系外惑星の多様性や普遍性の解明につながります。私たちはこの課題に、太陽系内の惑星の知見を集約した独自の数値モデル開発と系外惑星への応用により取り組んでいます。例えば最近の研究からは、当時の激しい太陽活動が太古の火星から大量の大気散逸を引き起こし、大部分の大気とハビタブル環境を失った原因を説明しうることや、固有磁場があると大気散逸が抑制されて金星型系外惑星の大気保持期間が大幅に延びることなどが明らかになりつつあります。また、光化学モデルに基づいて宇宙放射線が大気に降り込むことで生命前駆物質の生成にどのような影響を与えたのかなどの研究にも取り組んでいます。

カナダでのオーロラ観測カメラ設置の様子

太陽風と太古火星の相互作用のグローバルMHD シミュレーション結果。
太陽風と太古火星の相互作用のグローバルMHDシミュレーション結果。線は磁力線をカラーコンターは大気散逸率を表している

ミニコラム
私の座右の銘は、「学びて思わざれば則ち罔し、思いて学ばざれば則ち殆し」。『論語』にある孔子の言葉で、学びと思索の両立の重要性を説いています。学生時代は、知識を鵜呑みにせず、自ら考えることの大切さを意識してきました。しかし、業務量も増え仕事に追われる中で、経験や直感に頼る場面が増え、思索に偏り、学びを怠る危うさを実感するようになりました。特に地上の常識の通用しない宇宙空間のような未踏の「ち」に挑む宇宙環境・惑星圏科学分野の研究者にとって、思い込みは大きなリスクです。
その反省もあり、最近、総長補佐の仕事が一段落したタイミングで国際学術誌の Editor を引き受けました。常に最新の知見に触れ、学び続ける環境に身を置くことで、自分の思考を絶えず問い直す機会を得ています。学びと思索を行き来する中で、未知の現象に少しずつ光が当たる瞬間、研究者としての醍醐味を感じます。これからも謙虚な姿勢を忘れずに、学びと考察を重ねながら、宇宙の不思議に楽しく挑み続けていきたいと思います。