九州大学国際宇宙惑星環境研究センター（i-SPES）の尾花由紀特任准教授、大阪大学大学院理学研究科の横田勝一郎准教授らの研究グループは、ニュージーランドを中心とした地上磁力計観測網と、JAXAのジオスペース探査衛星「あらせ」の観測データを組み合わせることで、2024年5月10–11日の巨大磁気嵐時に、地球近傍宇宙空間で酸素イオン（O⁺）が異常増加していたことを発見しました。

解析の結果、ニュージーランド上空の地球半径約2.2倍付近の宇宙空間において、プラズマ質量密度が約35,000 amu/cm³に達する極端な高密度状態が発生していたことが明らかになりました。さらに、「あらせ」衛星による電子密度観測と組み合わせた解析から、この領域では平均イオン質量が約15 amuに達しており、プラズマの90%以上が酸素イオンで占められていた可能性が示されました。

酸素イオンの増加は通常、磁気嵐回復相に地球半径3–5倍程度の比較的外側の領域で観測され、その割合も10–20%程度とされています。これに対し、今回は磁気嵐主相中に、地球半径約2.2倍の地球近傍でO⁺が90%以上を占める可能性が示され、従来想定されていなかった極端状態であることが分かりました。

さらに、「あらせ」衛星およびDMSP衛星の観測から、数keV程度の比較的エネルギーの高いイオンと冷たい高密度プラズマが共存していたことや、電離圏全電子数（TEC）の減少・電離圏電子温度の上昇も確認されました。これらの結果は、比較的エネルギーの高いイオンによる電子加熱を介して、電離圏から酸素イオンが効率的に供給されていた可能性を示しており、新たなO⁺供給メカニズムの存在を示唆しています。

今回の発見は、巨大磁気嵐時における地球周辺宇宙環境の理解を大きく前進させるとともに、人工衛星障害や高エネルギー粒子環境変動に関わる宇宙天気研究への貢献が期待されます。

本研究成果は、Springer Nature社刊行の国際学術誌『Earth, Planets and Space』に2026年5月23日（土）（現地時間）に掲載されました。

地球周辺の宇宙空間には、地球大気起源の低エネルギープラズマが存在しており、地球磁場に捕捉されることで「プラズマ圏」と呼ばれる高密度プラズマ領域を形成しています。このプラズマは主に水素イオン（H⁺）から構成されていますが、磁気嵐時には特定の領域で酸素イオン（O⁺）が増加することが知られています。O⁺は、高度200～300km付近で太陽極端紫外線によって酸素原子が電離することで生成されます。H⁺の16倍重いO⁺は、通常の環境では重力を振り切って宇宙空間へ飛び出すことは困難で、効率的な宇宙空間への輸送を起こすには、電離圏の強い加熱が必要です。

これまでの観測研究から、O⁺は磁気嵐回復相に、地球半径3–5倍程度の比較的外側の領域で増加すると言われてきました。この領域は「酸素トーラス（oxygen torus）」と呼ばれており、O⁺の割合は通常10–20%程度まで増加します。従来の酸素トーラス形成は、磁気嵐回復相に電離圏から宇宙空間へ再供給された低エネルギープラズマが、比較的エネルギーの高いプラズマと共存することで、エネルギー交換が進み、電離圏の加熱とO⁺供給が進むという枠組みで説明されてきました。そのため、磁気嵐主相中に、より地球に近い領域でO⁺が90%以上を占めるような極端状態が生じることは、従来の理解では想定されていませんでした。

O⁺は、質量が大きいため、少しの増加で磁気圏内における電磁波動の伝搬や、高エネルギー粒子の生成・輸送過程に大きな影響を与えます。そのため、宇宙空間でO⁺がいつ、どこで、どのように増加するか理解することは、宇宙の安全利用を目指す宇宙天気研究において重要な課題です。

2024年5月10日に発生した巨大磁気嵐（Mother’s Day Storm）は、約20年ぶりの極めて大規模な宇宙擾乱現象であり、日本を含む世界各地で低緯度オーロラが観測されました。この磁気嵐では、地球周辺宇宙環境にも極端な変動が発生していたことが報告されています。

こうした背景のもと、本研究では、ニュージーランドを中心とした地上磁力計ネットワークと、「あらせ」衛星の観測データを組み合わせることで、巨大磁気嵐時の内部磁気圏プラズマ環境を詳細に調査し、極端なO⁺増加の発生メカニズムを解明することを目的として研究を行いました。

研究グループは、ニュージーランド、ヨーロッパ、北米などに設置された地上磁力計ネットワークの観測データを解析し、ULF波動（超低周波波動）の固有振動周波数から内部磁気圏のプラズマ質量密度を推定しました。

その結果、2024年5月10日20–24時（世界時）頃に、ニュージーランド上空の地球半径約2.2倍付近において、極端なプラズマ質量密度増加が発生していたことが明らかになりました。推定された質量密度は約35,000 amu/cm³に達し、通常時を大きく上回る極端な高密度状態となっていました(図1)。

さらに、「あらせ」衛星が同時期に近い領域を飛翔しており、電子密度観測データとの組み合わせ解析から、この領域では平均イオン質量が約15 amuに達していたことが分かりました(図2)。これは、プラズマの90%以上がO⁺で構成されていた可能性を示しています。

また、この極端なO⁺増加はニュージーランド付近で特に顕著であり、巨大磁気嵐時のプラズマ輸送や加熱過程に経度差があったことも示唆されました。

さらに、「あらせ」衛星の観測から、磁気嵐の主相中にもかかわらず、プラズマ圏の外側境界付近のごく限られた領域で、冷たいプラズマと比較的高エネルギーなプラズマが共存していたことが確認されました。また、米国DMSP衛星の観測から、電離圏の電子温度が上昇していたことも確認されました。これらの結果は、磁気嵐主相中にも、局所的なエネルギー交換とO⁺供給が起こり得ることを示唆しています。

図1. 2024年5月巨大磁気嵐時に観測された内部磁気圏プラズマ質量密度の増加。ニュージーランド地上磁力計ネットワークの複数観測点ペア（MDM–EYR、EYR–WAI、WAI–OAK、OAK–DON）の解析結果を示す。2024年5月10日夜（世界時）に、地球近傍宇宙空間においてプラズマ質量密度が急増し、特にWAI–OAK観測点ペアでは約35,000 amu/cm³に達する極端な高密度状態が観測された。破線で囲った時間帯は、「あらせ」衛星による電子密度観測と組み合わせて平均イオン質量を推定した時間帯を示す。

図2. 巨大磁気嵐時に推定された内部磁気圏プラズマの平均イオン質量。地上磁力計観測から推定したプラズマ質量密度と、「あらせ」衛星による電子密度観測を組み合わせることで、内部磁気圏プラズマの平均イオン質量を推定した。地球半径約2.1–2.4倍付近では平均イオン質量が約15 amuに達しており、プラズマの90%以上が酸素イオン（O⁺）で構成されていた可能性を示している。これは、通常の磁気嵐時に報告されている酸素イオン割合（10–20%程度）を大きく上回る極端な状態である。

本研究は、巨大磁気嵐主相中に、地球近傍宇宙空間で極端なO⁺増加が発生し得ることを示した初めての観測事例です。

従来、O⁺増加は磁気嵐回復相に、より外側の内部磁気圏で発生すると考えられていました。しかし今回の研究では、磁気嵐主相中に、地球半径約2.2倍という地球近傍領域で、O⁺が90%以上を占める極端状態が発生していたことが明らかになりました。また、本研究では、「あらせ」衛星の高精度観測により、磁気嵐主相中にもかかわらず、プラズマ圏の外側境界付近のごく限られた領域で、冷たい高密度プラズマと比較的エネルギーの高いイオンが共存していたことを明らかにしました。この二種類のプラズマは起源が異なり、磁気嵐の主相中には共存することは一般には考えられていませんでした。回復相であれば、電離圏から新しく低エネルギープラズマが再供給されることで共存が可能なため、従来の酸素トーラスの形成過程も、その文脈で説明されてきました。今回の観測は、主相中にも局所的にエネルギー交換が生じ得ることを示す重要な発見です。さらに、DMSP衛星観測と組み合わせることで、実際に電離圏電子温度の上昇、すなわち電離圏の加熱が生じていたことも観測データから確認されました。これらは、巨大磁気嵐時における電離圏－磁気圏結合過程と内部磁気圏ダイナミクスに新たな視点を与える重要な成果です。

O⁺は質量が大きいため、少しの増加でも磁気圏内におけるULF波動や電磁波動の伝搬特性を大きく変化させ、放射線帯などの磁気圏で最も高エネルギーの粒子の生成・輸送にも強い影響を与えます。そのため本研究成果は、極端宇宙天気イベントに対する地球周辺宇宙環境の応答理解を深めるとともに、人工衛星障害、放射線帯変動、宇宙天気予報モデル高度化などへの応用も期待されます。