放射線帯に「破られない壁」はあるのか ― 地球半径の3倍という境目を確かめる

「壁」の正体は、地球半径を単位にした3という数

地球のまわりには、高いエネルギーの電子が帯のように居座る領域があります。ヴァンアレン帯、日本語では放射線帯と呼ばれます。その位置を言い表すとき、研究者はkmではなく L という数を使います。

つまり L は、長さではなく地球半径を単位にした比です。L＝3 なら、地球の中心から地球半径の3倍の距離、6,371×3＝19,113kmです。地表からの高さに直せば、その差し引きで約1万2,700km（本誌試算）。京都大学と名古屋大学などの研究グループが2026年10月に発表した資料は、壁の位置を「高度約1万2千km以下」と書いています。壁の位置はL≒2.8〜3のあいだで動くので、高度にすると約1万1,500〜1万2,700km。おおよそ1万2千km、という丸め方になります。

この境目の鋭さが、この話のいちばんの特徴です。2018年の研究によると、壁の前後では電子の量が0.5地球半径（約3,200km）のあいだに約1万倍も落ちるとされます。1,000kmあたり約18倍の落差です。宇宙の広さの感覚でいえば、ほとんど崖です。

なぜ内側に入れないのか ― 運ぶ速さと落とす速さの比

素直に考えると、地球に近づくほど磁場が強いのだから、強い磁場がはね返しているように見えます。双極子磁場の強さは L の3乗に反比例するので、L＝3では赤道の地表の27分の1、L＝5では125分の1。内側は外側より4.6倍強い磁場です（本誌試算）。

ところが、強い磁場は「はね返す壁」としては働きません。磁場が効くのは別の形で、内向きに運ばれる速さが L とともに急に落ちる、という形です。電子がゆっくり内側へ運ばれるとき、断熱不変量と呼ばれる量が保たれます。磁場が強い場所へ移るほど、電子の運動量は大きくなります。運動量は L の1.5乗に反比例するので、L＝5からL＝3へ運ばれるだけで運動量は2.15倍。エネルギーに直すと、L＝5で1MeVだった電子は、L＝3では2.6MeVになります（本誌試算）。内側へ運ばれること自体が、電子を強くするのです。

2024年5月、壁は内側から破られた

2024年5月、観測史上最大級の宇宙嵐が起きました。日本の衛星「あらせ」の観測から、このとき壁のすぐ内側で、数百万電子ボルト以上の電子が新たに生まれていたことが示されました。

判断の決め手は、電子の量を表す「位相空間密度」の形でした。外から入ってきたのなら、量は外側ほど多く、内側へなだらかに減ります。ところが実際には L＊≒3 のあたりで、量が局所的に、しかも急激に増えていきました。外から運ばれてきた形ではない以上、そこが源だということになります。

加速したのは「コーラス波」と呼ばれる電波で、ふだんは壁の外側にしかありません。嵐のあいだ、電離圏の異常（負の電離圏嵐）によって壁の内側のプラズマが薄くなり、しかもその回復が通常の2倍以上長く遅れました。門番がいなくなった時間が長かったぶん、コーラス波が内側で電子を加速できたとされています。

壁の原因は、まだ決まっていない

この壁が報告されたのは2014年、Nature誌でのことです。Bakerらは、L≒2.8に非常に鋭い内側の境目を見いだし、地球の磁場による物理的な仕切りではないこと、人工の電波による散乱でもなさそうなことを示しました。そして、きわめて遅い内向きの拡散と、弱いが続く散乱の組み合わせが原因だろうと述べました。

2018年、Ozekeらはこれに異を唱えます。超低周波（ULF）の波による内向きの拡散の速さが L とともに急に落ちる、それだけであの鋭い崖は説明できる。ゆっくりした損失は残るが、壁の内側に急な損失の境目を置く必要はない、という主張です。

嵐が強ければ2日、たいへん強ければ6時間で届いてしまう。つまり壁は、嵐が十分長く続かないから残っている、という読み方になります。同じ崖に、二通りの説明が立っている状態です。

俗説・誤解チェック

「破られない（impenetrable）」という呼び名は、観測された見かけの鋭さから付いた通称です。物理法則による禁止ではありません。実際、2015年3月の強い嵐では、壁の位置が電子のエネルギーによって動き、L≒2.6からL＞2.8の範囲で変わったと報告されています。宇宙嵐の規模が変われば、位置も壁としての働きも変わります。

「地球が人を守る盾を持っている」という話にも注意が必要です。この壁は人工衛星の高度帯の話で、地上の生活を守っているのは大気と地磁気全体の働きです。別の仕組みを一つにまとめないほうがよいでしょう。

黄金比研究所の見立て

L＝3という数の面白さは、それが長さではなく比だという点にあります。地球半径で割ってあるから、磁力線の形も、磁場の強さも、同じ数で言い表せます。この記事で出てきた L の3乗（磁場）、1.5乗（運動量）という関係は、どれも「地球半径を単位にする」と決めた瞬間に使えるようになったものです。

そして、この境目は数学で導かれたものではありません。観測を積み上げて見つかった経験則です。だから嵐の規模という条件が変われば、位置も意味も動きます。2024年5月に起きたのは、壁が消えたことではなく、壁を支えていた釣り合いの一方が、通常の2倍以上長く欠けたことでした。釣り合いでできた境目は、釣り合いが崩れた分だけ動く。それだけのことが、観測史上最大級の嵐を待たなければ確かめられなかった、というのがこの話の落としどころだと考えます。