宇宙空間におけるシースと最近の話題

解説:小 特集 最近 のシース問題

4.宇

宙 空 間 に お け る シ ー ス と最 近 の 話題

小 山 孝 一 郎

(宇 宙 科 学 研 究 所) (1992年9月22日 受 理)

Sheath around Moving Body in Space Plasma

Koh-ichiro Oyama (Received September 22,1992)

Abstract

We review the sheath which is produced around a moving object in space.The sheath in space is grouped from different point of view; one is ambient plasma density,another is potential of the object.In terms of the ambient plasma density,neutral particles collide with electrons inside the sheath in the lower ionosphere below 90km.Shape of the sheath which is formed around moving object are distorted which is totally different from stationally laboratory plasma.In the high altitude,where ambient plasma density is less than 103 els/cc, the satellite is surrounded by photoelectron in the sunlight.

When we look at the sheath from the view point of the magnitude of the voltage applied to it,the sheath is divided into two groups; low voltage and high voltage regimes.Low voltage regime is a conventional satellite sheath.High voltage regime is encountered in bombardment of the spacecraft by auroral electrons under low density plasma or in electrodynamic tether system. Study about the highly biased large electrode is important for the future solar power station. Keywords:

space plasma,sheath,moving body,interaction,

宇 宙空 間 に お け るシ ー スの 特 徴 宇 宙 空 間 にお け る電 極 まわ りの シ ー ス の特 徴 の 1つ は,ま ず衛 星 あ る い は,衛 星 か ら突 き出 た電 極 が プ ラ ズマ 中 を動 く事 に よ り,衛 星 あ る い は電 極 の前 面 で は,荷 電 粒 子 の密 度 が 増 加 し,一 方 後 面 で は,プ ラ ズマ 密 度 が 希 薄 に な る事 で あ ろ う. こ の 事 は 荷 電 粒 子 の 速 度 が 飛 翔 体 よ り遅 く,か つ,荷 電 粒 子 の平 均 自由 行 程 が 飛翔 体 よ り小 さ い と きに起 きる .太 陽 を回 る 人工 惑 星 の 場 合 は飛 翔 体 の速 度 は荷 電 粒 子 の 速 度 よ り遙 か に小 さ く飛 翔 体 は静 止 して い る と考 え て よ い. ま た,オ ー ロ ラ粒 子 に よ る飛 翔体 の 高 電 圧 帯 電 に よ る飛翔 体 周 りの大 きな シー ス の 広 が りも,通 常 の 実験 室 プ ラ ズ マ で は 考 え られ な い事 で あ る。

解 説 宇 宙 空 間 にお け る シ ー ス と最 近 の 話 題 小 山 解説:小 特集 最近 のシース問題 更 に また,飛 翔 体 か らは太 陽光 に よる二 次電 子 が 発 生 し,飛 翔 体 の周 囲 は この電 子 に取 り巻 か れ る 事 も起 こ り うる.こ こで は この様 に室 内 プ ラズ マ と違 う様 相 を呈す る宇 宙 空 間 プ ラズ マ 中 で の シー ス と,関 連 した 最 近 の 話 題 を概 説 す る. 1、 地 球 環 境 窒 素 分 子 と酸 素 分 子 を主 成 分 とす る 地 球大 気 に 太 陽 紫 外 線 が 照 射 さ れ る と,こ れ らの 分 子 は解 離,か つ,イ オ ン化 す る. ご く一般 的 に高 度 に対 す る プ ラ ズ マ密 度 の様 相 は,図1の よ うで あ る.ま ず 高 度60[km]∼90 [km]に お け る高 度 領 域 はD領 域 と呼 ば れ,昼 間 は正 イ オ ン と電 子 よ りな る.夜 間 に お い て は電 子 は 中 性 ガ ス と結 合 し負 イ オ ン に な る.従 っ て D領 域 で は正 負 の イ オ ンに よ り電 気 的 な 中性 が保 た れ て い る.図2に 中 性 ガス の 組 成 分 布 を示 し た.高 度100[km]に お け る窒 素 分 子 ガ ス密 度 は 約1012[個/cm3]で あ り,一 方 昼 間 に お け る プ ラズ マ 密 度 は105[個/cm3]で あ る.従 っ て 中性 ガス 密 度 に対 す る プ ラ ズ マ 密 度 の割 合 は10-7と な り,従 って 高 度100[km]は 遙 か に電 離 度 の低 い 領 域 で あ る 事 が わ か る.90[km]∼160[km] まで はE領 域 と言 わ れ る.160[km]以 上 はF領 域 と名 付 け られ て い る.昼 間 に お け るD領 域 の主 な る イ オ ンはNO+で あ り,E層 で はO2+が 卓 越

図1.地 球 環 境 の プ ラ ズ マ密 度 分布. 図2.地 球 環 境 の 中性 ガ ス 分 布. す る.高 度160[km]か らO+が 卓 越 し,よ り高 度 に な る に つ れO+か らHe+そ し てH+と よ り 質 量 の 軽 い イ オ ンへ と移 行 す る.プ ラ ズ マ 圏 と 呼 ば れ る 領 域 を 過 ぎ る と,プ ラ ズ マ 密 度 が 急 に 降 下 す る. 図3.地 球 を取 り巻 くプラズマ と極域 での 飛翔体 の環境

核 融 合 研 究 第68巻 第6号1992年12月 解説:小 特集 最近のシース問題 表1.宇 宙 空 間 に お け る代 表 的 なパ ラ メー タ 図3は 地 球 を取 り巻 くプ ラ ズ マ 環境 を示 して い る.極 域 を 除 く領 域 で は荷 電 粒 子 の 殆 どが 熱 的 粒 子 で あ り,そ の 電 子 温 度 は高 度,緯 度 に よ っ て,あ る い は 昼夜 に よ って 変 わ る がF領 域 の場 合 1000∼3000[K]の オ ー ダで あ る.極 域 に お け る オ ー ロ ラ 領 域 で は エ ネ ル ギ ー 分 布 に お い て 数 [keV]に ピー ク を持 つ い わ ゆ る オ ー ロ ラ粒 子 が 存 在 し,こ の た め プ ラズ マ 密 度 が低 い 夜 間 の 高 度 領域 にお い て は 飛 翔体 が 大 き く負 に帯 電 す る事 が しば しば起 こ り得 る.そ の 結 果 飛 翔 体 を取 り巻 く シ ース が 大 き く広 が る事 に な る だけ で な く飛 翔 体 の 帯 電 に よ り電 子 回路 が破 壊 され た例 が 過去 に報 告 され て い る.従 っ て 高 い 電位 に帯 電 され た 衛 星 の まわ りの シ ー ス の 問 題 は しば しば 議 論 され て き た.表1に 本稿 に必 要 と思 わ れ る宇 宙 空 間 で の パ ラ メ ー タ を示 した. 2.宇 宙 空 間 で の 飛 翔 体 の電 位 飛 翔 体 はそ れ に流 れ 込 む電 流 が ゼ ロ に な る よ う に そ の電位 を 自動 的 に コ ン トロー ル す る.例 え ば 高 度600kmに お け る 宇 宙 空 間 に お い て は表1が 示 す よ う に イオ ン,及 び電 子 の 熱 速 度 は そ れ ぞ れ

解 説 宇 宙 空 間 に お け る シー ス と最 近 の 話 題 小 山 解 説:小 特集 最近の シース問題 1・4[km/s],290[km/s]で あ る.一 方 この 高 度 を飛 翔 す る衛 星 の 速 度 は 約7.6[km/s]で イ オ ンの 熱 速 度 よ り速 い.結 局 イ オ ンの 衛 星 へ の 捕 集 は衛 星 の 進 行 方 向 の 断 面 積 で,電 子 の 捕 集 は 衛 星 の 全 表 面 積 で き ま り,熱 的 電 子 の 持 つ 速 い 熱 速 度 に よ る効 果 と併 せ て 衛 星 は周 りの 宇 宙 空 間 に 対 して 負 に帯 電 す る.地 球 静 止 軌 道 付 近 にお い て は衛 星 の 速 度 は イ オ ンの 速 度 よ りお そ く,電 子 の 熱 速 度 は イ オ ンの 熱 速 度 よ り依 然 と して 速 い.こ の 高 度 にお い て は衛 星 の 電位 は薄 い プ ラズ マ 密 度 の 宇 宙 空 間 にあ って 太 陽 紫 外 線 の 照 射 に よ り衛 星 か ら放 出 さ れ る 二 次 電 子 に よ っ て 制 御 され る. 従 って 衛 星 の 電位 は周 囲 の 宇 宙 空 間 に対 しや や 正 に帯 電 す る の が普 通 で あ る. さ て こ の よ う に飛 翔 体 が 浮 か んで い る宇 宙 空 間 にお い て ラ ン グ ミュー ア プ ロー ブ測 定 は如何 に し て 行 うの で あ ろ うか.地 上 にお け る実 験 室 プ ラズ マ で は シ ン グル プ ロー ブの 場 合,金 属 製 ス ペ ース チ ャ ンバ ー の 壁 と プ ラズ マ 源 の カ ソー ドと を接 続 して,こ れ を カ ウ ン タ ーエ レ ク トロ ー ドと して 用 い る.宇 宙空間 におけ るプロー ブ測定 は衛星 よ り 突 き だ した ラ ン グ ミュ ー ア プ ロ ー ブ と衛 星 の あ い だ に掃 引 電 圧 を印加 し プ ロ ー ブ に なが れ る電 流 を 測 定 す る.こ の 場 合 プ ロー ブ に電 圧 を印加 した と き に衛 星 電位 が 変 動 し ない事 が 必 要 で あ る.衛 星 と これ よ り突 き出 され た ラ ン グ ミュ ー ア プ ロ ー ブ と は周 囲 の プ ラ ズマ 密 度 が低 くな る につ れ 両 者 が 同 じシー ス の なか に埋 もれ ない よ う に離 す 事 が 必 要 で あ る. 宇 宙 空 間 で ダ ブ ル プ ロ ー ブ を使 用 す る こ と は プ ラ ズマ 密 度 がせ い ぜ い106[個/cm3]な の で 高 感 度 の ア ン プ と2本 の 電 極 に よ る シ ース が 干 渉 しあ わ な い よ う に電 極 間 隔 を充 分 に離 した ダ ブ ル プ ロ ー ブが 必 要 と な るの で 過 去 に―一回 だ けD領 域 の 測 定 に使 わ れ た とい う報 告 が あ る. 3.宇 宙 空 間 に お け る シ ー ス の分 類 図3に は ま た極 域 にお け る飛 翔体 の 環 境 を示 し た,極 域 で は他 の領 域 と同 じ様 に昼 間 は まず 太 陽 光 に照 射 され る.紫 外 線 の 地 球 か らの 反 射(ア ル

(a)

(b)

図4.地 球 磁 場 が 電 極 か らの 放 出 二 次 電 子 の 振 る舞 い に 及 ぼ す影 響. ベ ド)も無 視 で きな い .同 時 に数keVに ピー ク を 持 つ オー ロ ラ粒 子 が 降 り込 む.後 述 す る よ う に高 い高 度 で は,飛 翔体 か らの 二 次 電 子 を考 慮 す る必 要 が あ る.ま た,飛 翔 体 に はlocalに 生 成 さ れ た光 電 子 及 び,磁 気 共 役 点 よ り磁 力 線 沿 い に走 っ て くる光電 子 が あ た る 事 が あ る.飛 翔体 の 後 側 に は ウ ェー クが で きる.ま た 飛 翔体 の 大 き さ に よ っ て は 飛 翔体 の速 度Vと 地 球 磁 場Bの 相 互 作 用 に よ っ て誘 起 され るV×B電 圧 は無 視 で きな い. こ の様 に宇 宙 空 間 に お け る飛 翔 体 の 環 境 は極 め て複 雑 で あ る が,宇 宙 空 間 にお け る シ ース は基 本 的 に は テバ イ長 λDと 中性 分 子 と電 子 との 平 均 自 由行 程 乙,と の 大 小 に よ り分 け る 事 が で きる で あ ろ う.λD>Leが 成 り立 つ領 域 はD層 で あ り,こ れ 以 上 の 高 度 で は λD<Leと な る.λD>Leの 高 度 領域 で は,先 ず 動 い て い る物 体 は周 りの シ ー ス の 複 雑 さ に加 え シ ー ス の 中 で の 荷 電 粒 子 の 衝 突,か つ,物 体 の前 面 で の 中性 ガ ス の淀 み 等 多 く の 問題 が あ る(Chung,1964)1).も ち ろ ん この 場 合,飛 翔体 の 大 き さ を考 慮 せ ね ば な らな い.

核融 合研 究 第68巻 第6号 1992年12月 解説:小 特集 最近のシース問題 宇 宙 空 間 に お け る シ ー ス の も う一 つ の 特 徴 は前 述 し た オ ー ロ ラ領 域 で の 荷 電 粒 子 の 降 り込 み に よ って ひ きお こ され る よ う な飛 翔 体 の 高 電 圧 帯 電 で あ り,将 来 にお い て 太 陽 発 電 衛 星 で 問 題 とな る 高 電 位 の 端 子 の 近傍 の シー ス も この 範 疇 に入 る. '従 って,宇 宙 空 間 にお け る シー ス は シ ース の 中で 電 離 が 生 じない 程 度 の 低 電 圧 シー ス と シ ース の 中 で 中性 ガス の 電 離 あ るい は衛 星 表 面 か らの 二 次 電 子 が 議 論 され る可 能 性 の あ る高 い 電 圧 を印 加 した 場 合 の シー ス に大 き く分 け られ る で あ ろ う. 以 上 の よ うな事 を考 慮 して 宇 宙 空 間 の シー ス を 表2の よ うに分 類 した. 表2.宇 宙 空 間 に お け る シ ー ス の 分類 と その 特 徴 領 域Aに 入 るの は 前 述 した よ う にD領 域 にお け る ロケ ッ トに搭 載 され た ラ ン グ ミ ュー ア プ ロー ブ周 りの シー ス で あ る.こ こで の シー ス は まず ラ ン グ ミュー ア プ ロー ブ 前 面 にイ オ ン及 び 中 性 粒 子 が 捕 捉 され,一 方 ラ ン グ ミュー ア プ ロー ブ後 部 で はイ オ ン及 び 中 性 粒 子 が 希 薄 にな る.こ の 領域 で は現 在 まで 電 子 密 度 す ら正 確 に プ ロー ブで 測 定 され て お らず,地 上 か らの低 周 波 電 波 を ロケ ッ トで 受 信 す る事 に よ り電 子 密 度 を求 め る波 動 法 に よ り,プ ロー ブで 測 定 した 直 流 電 流 を較 正 して い るの が 現 状 で あ る. 領 域Bの グ ル ー プ に分 類 され るの は昼 間 の プ ラ ズ マ 密 度 約106[個/cm3],夜 間 の プ ラ ズ マ 密 度 約105[個/cm3]の 電 離 層F領 域 で の シ ー ス で, シ ース の 理 論 につ い て は飛 翔 物 体 が デ バ イ長 よ り 小 さい 時,同 程 度 あ るい はそ れ よ り大 きい 場 合 に 分 けて 考 え られ て い る.デ バ イ長 と同 程 度 あ るい は それ よ り小 さい 物 体 と プ ラ ズマ の 相 互 作 用 の 理 論 は衛 星 か ら突 き出 した電 極 に あて はめ る事 が で きる で あ ろ う し,一 方 スペ ー ス シ ャ トル或 い は太 陽電 池 パ ネル に よる 擾 乱 は,物 体 が デバ イ長 よ り 遙 か に大 きい 場合 に相 当 す る.F領 域 で の シ ー ス に 関 しては,良 く理 解 さ れ て い る と の感 じを著 者 は 持 っ て い る(Liu,1969)3)が 最 近 の 飛 翔 体 ま わ りの シ ー ス に 関 して はCoggiola等4)の 論 文 を参 照 さ れ たい.こ の よ う な荷 電 粒 子 と飛 翔 体 の相 互 作 用 以 外 に中性 ガス が 飛 翔 体 に衝 突 す る事 に よ る 発 光 が 報 告 され て い る.米 国 の衛 星S3-4に よ っ てN2のLyman-Birge-Hopfield(LBH)バ ン ドか ら の 紫 外 線 が 発 見 さ れ た(Huffmann et al)5)が, Conway6)他 は この こ と を 回 りの窒 素 が 高 速 で 飛 翔 す る 物 体 か らalng状 態 の 最 低 の 振 動 レ ベ ル を励 起 す る に充 分 な エ ネ ル ギ ー を得 る もの と考 え た.F領 域 よ り高 い 高 度 にお い て周 りの プ ラ ズマ 密 度 が103[個/cm3]以 下 に な る と,衛 星 壁 あ る い は衛 星 よ り突 出 した プ ロ ー ブか ら の二 次 電 子 に よ る電 流 が 周 りの プ ラ ズマ 密 度 よ り多 くな り,こ れ ら飛 翔体 の 周 囲 は二 次 電 子 の 雲 に よ っ て覆 わ れ る.即 ち衛 星 は二 次 電 子 が 壁 か ら放 出 さ れ る事 に よ り正 にな ろ う とす る.こ の ため 放 出 さ れ た電 子 は再 び衛星 に引 き戻 され る.従 っ て,衛 星 の周 り は こ の様 に して捕 獲 され た二 次 電 子 の雲 で覆 われ る.二 次電 子 の雲 の 覆 われ 具 合 は地 球 磁 場 と平板 電 極 との 成 す 角,あ る い は平 板 電 極 の 大 き さ に よ って も変 わ る(Laframboise)7),(Grard)8).図 4に そ の様 子 が示 され て い る.即 ち平板 電 極 と地 球 磁 場 とが垂 直 で あ る と,平 板 電 極 に垂 直 な磁 場 Bが あ るの で,電 子 の 振 る舞 い は比 較 的 に簡 単 で あ る.と こ ろ が(b)の 場 合 の よ う に,平 板 と磁 場 Bが あ る角度 を成 して 位 置 して い る場 合 に,電 極 か らでた電 子 は再 び 電 極 に戻 る可 能 性 が あ る. 上 記 の よ う に衛 星 表 面 か ら の二 次 電 子 の分 布 に つ い て は理 論 的検 討 が な され て き たが 筆 者 の知 る 限 り実 験 は皆 無 で あ る.筆 者 た ち は現 在 照 射 直 径 約30cmの 紫 外 線 光 源 を使 用 して,銅,ア ル ミニ ウ ム等 の 金 属 表面 か らの 二 次 電 子 の 振 る舞 い を電 極 表 面 に対 す る磁 場 の 方 向 を変 え て実 験 を行 っ て い る.磁 場 の 方 向 に よ っ て紫 外 線 を照 射 さ れ た金 属 面 前 面 の 二 次 電 子 の 分 布 は大 き く左 右 さ れ る事

解 説 宇 宙 空 間 に お け る シ ー ス と最 近 の話 題 小 山 解説:小 特集 最近 のシース問題 図5.ス ペ ー ス ス テ ー シ ョ ンの 導 線 に よ る軌 道 の 制御. が 明 らか に な っ て き た.即 ち磁 場 が電 極 に平 行 な 場 合,壁 か ら放 出 され た二 次 電 子 は磁 場 に捕 捉 さ れ,壁 の 前 面 に電 子 雲 を形 成 す る.一 方 電 極 に た い して 磁 場 が 垂 直 で あ れ ば 電 極 表 面 か ら で た二 次 電 子 は磁 力 線 にそ って 電 極 表 面 よ り遠 くまで 広 が り,従 って 二 次 電 子 は 壁 の 前 面 に雲 を作 る事 は な い .こ の様 な基礎 的な実験 は将来の深宇宙探査 に お け る低 エ ネ ル ギ ー粒 子 測 定 お よび 太 陽発 電 衛 星 の帯 電 を研 究 す る 上 で 重 要 で あ る と考 え る. 4.高 い電 圧 を 印加 した電 極 の 電 流 捕 集 過 去 に磁 力 線 の マ ッ ピ ング,あ る い は人 工 オ ー ロ ラ実 験 の た め に 宇 宙 空 間 に数keVの 電 子 ビ ー ム を放 出す る 実 験 が 行 わ れ て き た(Hess)8) _.最 近 で は変 調 した電 子 ビ ー ム を低 周 波 電 磁 波 の送 信 ア ンテ ナ と して 利 用 す る可 能 性 を探 る実 験 も行 わ れ て い る(Raitt)10).こ の 場 合,宇 宙 空 間 に 置 か れ た 物体 は 電 子 が 放 出 され た た め に正 に帯 電 す るの で,飛 翔体 か ら電子 が 放 出 で きな い事 が 考 え られ る.従 って 飛翔 体 の電 位,電 子 銃 か ら放 出 さ れ得 る電 流,及 び周 囲 か ら集 め られ得 る電 流 の大 き さを見 積 る事 は重 要 で あ る.将 来 に お け る太 陽 発 電 衛 星(Solar Power Station)は 導 体 で あ る プ ラ ズ マ 中 に そ の電 極 の両 端 が浸 され て い る の で, プ ラズ マ を介 して流 れ る電 流 に よ る電 力損 失 を, 見積 る ため に も上 記 の よ うな基 礎 的 な研 究 が 必 要 とな る. 1992年7月 米 国 と イ タ リア は ス ペ ー ス シ ャル ト よ り繰 り出 し た 約20kmの 導 線 と地 球 磁 場 と の 相 互 作 用 を研 究 す る実 験 を行 った(エ レ ク トロ ダ イ ナ ミ ッ クテ ザ ー 実 験 と よ ば れ る).残 念 なが ら 導 線 は 約260[m]伸 展 した に留 ま り完 全 な 成 功 に至 らな か った.こ の 実 験 は図5の よ うに将 来 の スペ ー ス ス テ ー シ ョ ン の 軌 道 制 御,あ る い は ス ペ ー ス ス テ ー シ ョ ンの夜 間 にお け る電 力供 給 の 可 能 性 を探 る た め に 行 わ れ た.即 ち 導 線 が 速 度V で 地 球磁 場Bの 中 を走 る とE=-V×Bが 誘 起 さ れ る(Banks)11).こ れ に よ り導 線 の 中 に電 流1 が流 れ る.即 ち電 力 が 得 られ る事 に よ り,こ の シ ス テ ム はス ペ ー ス ス テ ー シ ョ ンが地 球 の 陰 に入 っ た と きの発 電 機 とな り得 る.得 られ る電 力 は も と も とスペ ー ス ス テ ー シ ョンの 運 動 エ ネ ル ギ ー で あ り従 って ス ペ ー ス ス テ ー シ ョン はそ の 高 度 を下 げ る事 にな る.一 方 導 線 を流 れ る電 流 の 向 き を上 記 と反対 にす る とス ペ ー ス ス テ ー シ ョン は加 速 され 従 って そ の軌 道 高 度 を 上 げ る事 にな る.こ の シス テ ム の電 流 は電 子 銃,電 離 層,導 線 の 先端 の 電 極 を通 じて導 線 に流 れ,そ して また 電 子銃 で 閉 じる

核 融合研究 第68巻 第6号 1992年12月 解説:小 特集 最近のシース問題 図6.地 球磁 場 の も と高 電 圧 が 印 加 され た電 極 の シー ス の 広 が り.球 状 電極 へ の 電 流 は高 電 圧 の 領 域 の 外 側 で は磁 場 に 沿 って い る. と考 え られ て い る 。 こ の様 な シ ス テ ム で ス ペ ー ス ス テ ー シ ョ ンの軌 道 変 更 が可 能 か ど うか は導 線 の 先 端 の 電 子 捕 集 用 電 極 が 集 め 得 る電 子 の 量 に か か って い る.こ の様 な研 究 の課 題 の1つ は周 囲 の プ ラ ズ マ と電 極 との電 気 抵 抗 を小 さ く して 効果 的 に電 子 を集 め る電 極 の 開発 で あ り,他 の1つ は長 い 導 線 が 地 球 磁 場 を 飛 翔 す る事 に よ り誘 起 した 高 電 圧 が 印 加 さ れ た 電 極 の 電 子 捕 集 の 研 究 で あ る.こ の様 な高 電 圧 が 印加 され る 地 球磁 場 中 で の 電 極 に よる荷 電 粒 子 捕 集 の様 子 は だ い た い 図6の 様 に表 す 事 が で き よ う.今 後 の 議 論 の た め,I= J02πa2∼5a2と す る.こ こ で はaは 電 子 補 集 物 体 の 半 径 で あ り,高 電 圧 物 体 へ 入 る電 流 は1と す る.こ こで は過 去 に出 され た3つ の 電 子 補 集 モ デ ル につ い て概 説 す る.ま ず,一 番 簡 単 なBeard とJohnson12)に よ り得 られ た 地 球 磁 場 を無 視 し た電 流 捕 集 の式 は (1) で あ る.こ こ でcは 電 子 の 熱 速 度 で あ る. (1)式 で 規 定 さ れ る 電 流 は 物 体 が 周 囲 の 宇 宙 空 間 か ら 集 め る 事 の で き る 最 大 値 で あ る.さ て ParkerとMurphy13)は 地 球 磁 場 を 考 慮 す る と, 半 径 γ0よ り 遠 い 場 所 に い る 電 子 は 電 極 に 到 達 で き な い 事 が あ る し,半 径 γ0よ り小 さ い 電 子 に と っ て も,軌 道 に よ っ て 電 極 表 面 に 到 達 で き な い 事 が あ り得 る と し て,捕 集 電 流 は 以 下 の 式 で 限 定 さ れ る と し た. (2) Linson14)は 高 電 位 の シ ー ス の 中 に 入 り 込 ん で き た 電 子 は,シ ー の 擾 乱 に よ り,自 由 に 電 極 表 面 に 到 村 で き る だ ろ う と 考 え て, (3) を あ た え た.こ の 式 で の 重 要 な パ ラ メ ー タ は q=ωp2/ωC2で あ り,マ グ ネ ト ロ ン の 場 合,理 論 的 に はq=1で あ る(Bunemann)15),実 際 に はq∼1/2と な る.シ ー ス の 中 に 擾 乱 を 起 こ す criticalなqcの 計 算 は 明 ら か に さ れ て な い が,qc=1及 び1/4に た い し て 計 算 さ れ た 場 合 が 図7に 上 式(1)(2)の 結 果 と 共 に 示 さ れ て い る. 図7.本 稿 で 述 べ た3つ の モ デ ル に よ る高 電 圧 を印 加 した電 極 に 流 れ る電 流 点 と線 で つ ない だ カ ー ブ は電 極 が 集 め ら れ る最 大 電 流.本 稿 中 の 式(3)で 定義 され た 電 圧 φ0 は178Vで あ る, 高 い電 圧 を 印 加 し た 場 合 の 荷 電 粒 子 の 捕 集 及 び,電 極 の 周 りの 電 位 分 布 の研 究 は将 来 の太 陽発 電 衛 星 にお け る太 陽 電 池 パ ネ ル の 問 題 に 直 接 結 び つ く問 題 で あ る(Kuninaka et al,1990)16). 高 い電 圧 が 印 加 され た太 陽電 池 パ ネ ル の端 子 は, 周 囲 の プ ラ ズマ に さ ら され る事 に よ り,こ こ を通 じて電 力 が 無 駄 に費 や され る可 能性 が生 じる.図

解 説 宇 宙 空 間 にお け る シ ー ス と最 近 の 話 題 小 山 解説:小 特集 最近 のシース問題 図8.交 互 に配 置 され た 太 陽 発 電 衛 星 の太 陽 電 池 ア レ イ(上 図)と 計 算機 に よ っ て解 か れ, る太 陽 電 池 ア レイ の 電位 分 布(下 図)12). 電 位 分 布 は左 右 対 称 の た め こ こ で は右 半 分 の み描 か れ て い る. 8は1000[V]の 太 陽 電 池 パ ネ ル を 宇 宙 に 置 い た 場 合 の 電 位 分 布(Parker)17)で あ る. 周 囲 の プ ラ ズ マ 密 度 が 小 さ く な る と オ ー ロ ラ 粒 子 に た た か れ た 衛 星 は,こ の 荷 電 粒 子 の 流 入 を 打 ち 消 す に 充 分 な プ ラ ズ マ が 周 囲 に無 い た め に,大 き く帯 電 す る 事 に な る.時 に は 衛 星 の 破 壊 や,衛 星 の 異 常 動 作 に つ な が る.こ の こ と に よ り衛 星 の 帯 電 現 象 に 関 し 多 く の 研 究 が 報 告 さ れ た(Mullen e t al.),18)(Olsen et al.)19).1978年 に は 帯 電 を研 究 す る た め の 衛 星SCATHAが 打 ち 上 げ ら れ る ほ ど 重 要 な 問 題 と な っ た.詳 細 はGarett20) の レ ビ ュ ー を 参 照 し て い た だ く事 と し て,こ こ で は 衛 星 帯 電 の 一例 を 示 す .図9は1976年 にATS6 図9.1974年10月4日 に静 止 軌 道 衛 星ATS6 で得 られ た 衛 星 帯 電 の 一例 黒 い 部 分 の 方 が 白 い 部 分 よ り荷 電 粒 子 のRuxは 少 な い.05h30mよ り衛 星 に太 陽 が あ た らな くな っ た.5h20m頃 よ り急 に 約600[ev]以 下 の イ オ ン の フ ラ ッ ク ス は無 くな っ た.こ の こ とは衛 星 が 負 に帯 電 した 事 に よ り周 り の イ オ ン が 衛 星 に向 か っ て 加 速 さ れ た事 を示 す. に 搭 載 さ れ た カ リ フ ォ ル ニ ア 大 学 の 粒 子 検 出 器 の エ ネ ル ギ ー ス ペ ク ト ル で あ り,2140UTと2200 UTの 問 で-600[V]に 帯 電 し た た め に,衛 星 に 搭 載 さ れ た セ ン サ ー は600[eV]に 加 速 し た イ オ ン を 見 て い る 事 を し め し て い る21,22). 5.お わ り に ラ ン グ ミュー ア プ ロ ー ブ が1945年 初 め て純 粋 に 科 学 研 究 の た め に打 ち 上 げ られ たV-2ロ ケ ッ トに 搭 載 され,電 離 圏E領 域 の プ ラズ マ 密 度 が 測 定 さ れ て 以 来,ラ ング ミ ュー ア プ ロー ブ は多 くの 衛 星 に塔 載 され地 球 プ ラ ズ マ 環境 の 解 明 に大 き く貢 献 して きた 事 は だ れ し も認 め る 所 で あ り,ラ ン グ

核 融 合研 究 第68巻 第6号1992年12月 解説:小 特集 最近 のシース問題 ミ ュー ア の 基 礎 的 な 理 論 を発 展 させ て,流 れ の あ る プ ラズ マ 中 で の プ ロー ブ に関 す る理 論 的,実 験 的 検 討 も数 多 く行 わ れ て きた.衛 星 の 周 りに形 成 され る シー ス につ い て も多 くの 理 論 的 研 究 が 報 告 され て い る.ま た 実験 的 に は衛 星 に搭 載 した プ ロー ブ に よ って 衛 星 近傍 の 荷 電 粒 子 分 布 を測 定 し た 報 告 が あ るが,デ ー タ は ま だ不 十 分 で あ り先 に 述 べ た シ ャ トル に よ るエ レ ク トロ ダ イナ ミ ックテ ザ ー 実験 の 目的 の1つ は こ こ にあ った.し か し多 くの 問 題 の うち, 1.D領 域 に お け る 正 あ る い は 負 に バ イ ア ス さ れ た プ ロ ー ブ 周 りの シ ー ス 現 象(Lam,23)) 2.高 圧 にバ イ ア ス され た電 極 に よ る電 子 電 流 補 集 3.深 宇 宙 にお け る探 査 機 周 辺 の 二 次 電 子 雲 の 振 る 舞 い24) 等 は い ま だ 十 分 に 研 究 さ れ た と は い え な い.こ こ で は 近 年 話 題 に な っ た ス ペ ー ス シ ャ ト ル 前 面 で の グ ロ ー に つ い て は ご く簡 単 に 触 れ た に と ど め た. 参 考 文 献

1) P.M. Chung: The Physics of Fluids 2 (1964) 110.

2) M.S. Gussenhoven, D. A. Hardy, F. Rich, W. J. Burke and H.-C. Yeh: J. Geophys. Res 90 (1985) 11009.

3) V. C. Liu: Space Sic. Rev. 2 (1969) 4234. 4) E. Coggiola and A. Soubeyran: J. Geophys.

Res. 96 (1991) 7613.

5) R.E. Huffmann, F. J. Leblanc, J.C. Larrabee and D. E. Paulsen: J. Geophys. Res. 85 (1980) 2201.

6) R. R. Conway, R. P. Meier, D. F. Strobel and R. E. Huffmann: Geophys. Res. Lett. 14 (1987) 628.

7) J. G. Laframboise: J. Geophys. Res. 93 (1988) 1933.

8) R. J. Grard : J. Geophys. Res. 78 (1973) 2885. 9) W. N. Hess : Generation of Artifical Aurorae in Environment Modification Experiments in Space, 9, Peport of Ad Hoc Committee to NASA, March 1968.

10) T. Neubart and P.M. Banks: Planet. Space Sci. 40, 2/3 (1992) 153.

11) P. Banks : J. Spacecraft. 26 (1989) 234. 12) D. B. Beard and F. S. Johnson: J. Geophys.

Res. 66, (1961) 4113.

13) L. W. Parker and B. L. Murphy: J. Geophys. Res., 72 (19 6 7) 16 31; A. (Ed) Rosen : Spacecraft charging by Magnetospheric Plasmas, Prog. Astronaut. Aeronaut. 47 (MIT. Press., Cambridge, 1976).

14) L. M. Linson: J. Geophys. Res. 74 (1969) 2368.

15) 0. Buneman: The RF theory of crossed field devices in Cross-Field Microwave Devices, 1 edited by E. Okress, 3 6 7, (Academic press, New York, 1961).

16) H. Kuninaka, Y. Nozaki, S. Satori and K. Kuriki: J. Spacecraft and Rockets 27 (1990) 417.

17) L. W. Parker: J. Energy. 4 (1980) 241. 18) E.G. Mullen, M.S. Gressenhoven and D. A.

Hardy: J. Geophys. Res. 91 (1986) 1474. 19) R. C. Olsen and C. K. Purvis: Observations

of charging dynamics, J. Geophys. Res. 88 A7 (1983) 5657.

20) H. B. Garett : Rev. Geophys. and Space Phys., 19 (1981) 577.

21) S. E. Deforest : J. Geophys. Res. 77(4) (1972) 651.

22) R. C. Olsen : J. Geophys. Res. 88 (19 8 3 ) 493.

23) S.H. Lam: AIAA J. 2 (1986) 256.

24) R. J. Grard and J. K. E. Tunaley: J. Geophys. Res. 76(10) (1971) 2498.