スプライトと宇宙線: 大気のゴーストフラッシュ

空のてっぺんに赤い稲妻

典型的な嵐の上、大気圏の上層部では、時々、一瞬の赤い稲妻が現れます。スプライト、 またはレプラコーン。これらの過渡光現象（TLE）一時的な発光イベント）は、嵐の対流圏のはるか上空、高度50から90 kmの間で発生します。 それらは雷雨によって引き起こされる強力な放電によって引き起こされますが、次の影響も受けます。宇宙からのエネルギー粒子、宇宙線。

宇宙線とスプライトのトリガー

銀河宇宙線は、超新星やその他の極端な現象によって相対論的な速度まで加速された原子核です。それらが地球の大気圏に突入すると、空気原子核と相互作用して二次粒子のシャワーを生成します。これらミューオン、電子、陽電子中間圏のイオン化を局所的に増加させ、スプライトを開始するのに十分な電場の出現を促進することができます。 特に、相対論的電子は希薄な空気中で破壊電圧を下げることができるため、導電性チャネルのプライミング数十キロ。

メカニズムはまだよく理解されていない

宇宙線とスプライトを結び付ける正確なメカニズムは複雑です。正の落雷によって発生した電場が地面に落ちているように見えます（雲から地面までの正のストローク) イオン化層と相互作用する上昇準静電波を引き起こすことにより、基本的な役割を果たします。したがって、宇宙線は直接的な原因ではありませんが、次のように作用する可能性があります。触媒トリガー。 TARANIS 衛星 (CNES、2020) などの特定の実験は、これらの微細な相互作用を解きほぐすことを目的としていました。残念ながら、このミッションは打ち上げ直後に失われてしまい、多くの疑問が残っています。

大気と惑星への影響

スプライトは単なる視覚的な珍品ではありません。彼らの研究は、局地的な気象学と天体物理学的プロセスの両方の影響を受ける、地球の上層大気における複雑な力学を明らかにしています。さらに、それらが放出するエネルギー（最大数百メガジュール）は、中間圏化学特にNOのようなラジカルの形成において_×またはO₃。 最後に、スプライトは木星や土星のような他の惑星の大気中にも存在する可能性があり、その場合スプライトは惑星大気中の強力な電場に関連する普遍的な現象となるでしょう。

宇宙線と種の突然変異

自然の放射線源

ザ宇宙線は、相対論的な速度まで加速された陽子と重い原子核で主に構成され、地球の大気と相互作用してミューオン、中性子、電子などの二次粒子を生成します。これらの粒子は生物圏を通過して生きた細胞に到達することがあります。地表でのフラックスは低い (約 1 粒子/cm2/分) ものの、その高いエネルギーにより、DNA レベルでの損傷を引き起こすことができます。

点突然変異と染色体不安定性

宇宙線や二次粒子が細胞を通過すると、DNAの一本鎖または二本鎖の切断。これらの損傷は適切に修復されないと、次のような事態につながる可能性があります。点突然変異、染色体の再構成または欠失。このランダムなメカニズムは、**有利な突然変異**を誘発する場合がありますが、多くの場合、細胞の生存能力の喪失または癌化を引き起こします。

進化の控えめなエンジン

進化のスケールでは、宇宙線は陸生種のゲノムにおける永続的な突然変異の原因となっています。他の突然変異誘発源 (太陽光紫外線、複製エラー、化学物質) と比較すると、それらの影響は低いものの、大災害の期間中に何らかの役割を果たした可能性があります。太陽活動の変動または太陽系を通過中より多くの放射線を発する銀河領域(渦状腕、近くの超新星)。

大量絶滅と宇宙放射線

一部の研究者は、以下の間の関連性を示唆しています。大規模な生物学的絶滅そして強烈な宇宙放射線のエピソード。たとえば、超新星残骸の地球通過や強力なガンマ線（GRB）の放出により、オゾン層が破壊されるほど大気がイオン化され、地表が極度の紫外線にさらされ、一連の突然変異と生態系崩壊が引き起こされた可能性がある。しかし、これらの仮説は依然として議論があり、経験的に検証するのが困難です。

高所生物への影響

氷河の微生物や渡り鳥など、高地に生息する生物は、保護的な大気が希薄化するため、二次宇宙放射線にさらされやすくなります。この曝露の増加は、いくつかの独特の遺伝的または生理学的適応を説明できる可能性があります。 ISS 上または成層圏飛行中に行われた宇宙生物学実験により、宇宙線が遺伝毒性のあるたとえ低用量であっても、長期にわたって。

国際宇宙ステーションからのスプライト

特権的な観察ポジション

そこには国際宇宙ステーション (ISS)高度約400kmの軌道を周回し、非常に活発な熱帯暴風雨帯の上空を定期的に飛行します。この高度により、宇宙飛行士や搭載機器が観測できるようになります。上から見たスプライトあるいは中間圏を通って横方向に。雲量や視野角によって制限される地上の観測者とは異なり、ISS は晴天と数百キロメートルにわたる横方向の視認性の恩恵を受けます。

ASIM: スプライトに対する科学的な目

2018年に欧州の機器であるコロンバスモジュールに搭載ASIM (大気・空間相互作用モニター)は、過渡光現象 (TLE) の観察に特化しています。高速カメラ、X 線/ガンマ線検出器、高感度光度計を組み合わせています。研究者らは、ASIM を使用して、以下の高解像度シーケンスを取得しました。スプライト、エルフ、ブルージェットこれにより、近紫外および可視範囲での微細なダイナミクスと発光スペクトルを研究することが可能になります。

三次元フィラメント状構造

宇宙から見ると、スプライトは数十キロメートルの複雑な構造として姿を現します。平行または分岐したフィラメント、逆さまの根やニンジンを連想させます。彼らの赤い光は、主に N の励起によるものです。₂、数ミリ秒間表示されます。分光学的データは、分子解離とイオン再結合に関連する輝線の存在も示しています。

思った以上にダイナミックな雰囲気

ISSは、上層大気が決して穏やかではないことを確認した。スプライトだけでなく、次のような現象も観察します。エルフ(雷からの電磁パルスによって作成される直径 300 km の光の輪) またはブルージェット、これらの青いプラズマのバーストは高度 50 km まで上昇します。これらの観察により、次のような間の複雑な相互作用が明らかになります。嵐の電気、電磁場、そして宇宙粒子。

宇宙と天気のつながり

ISS から収集されたデータは、宇宙の新たな理解に貢献します。大気リモートセンシング。したがって、スプライトは上層大気の電離を示す自然なプローブになります。これらは、間の収束点を提供します。地球科学そして宇宙科学、気象学、プラズマ物理学、光学、素粒子天体物理学を組み合わせた学際的な観点から。

雷、スプライト、宇宙線の比較表

出典:ノイベルトら。 (2008)、Journal of Geophysical Research – スプライト、ELVES、およびその他の一時的な発光イベント、 ESA – ASIM 観測のカタログ、Dwyer & Uman (2014)、宇宙科学レビュー – 雷の物理学、arXiv:2304.08934 – 大気放電に対する高エネルギー粒子の影響。