磁場を使用して宇宙天気を理解する

太陽は信じられないほどのエネルギーを生成し、そのエネルギーは光と熱として目で見て感じることができます。 太陽からの他の形態のエネルギーは人間には見えません。 たとえ目に見えなくても、太陽が発する荷電粒子、磁場、ガンマ線や X 線は地球に影響を与えます。 さらに、これらの目に見えないエネルギー形態が惑星の磁場や大気と相互作用すると、太陽系の最も美しい色と光の表示が生み出されます。

気づいていないかもしれませんが、宇宙には太陽によって動かされる天気が存在します。 太陽の天気は地球にさまざまな影響を与えますが、良いことばかりではありません。 それがどのように起こるかを理解するには、太陽風と磁場を理解する必要があります。 私たちの地球を守る遮蔽力を実験するのですから、磁石を分解してください。

始めるのが待ちきれませんか? 実験にジャンプしましょう！

帯電したプラズマが磁場と相互作用してさまざまな太陽活動を引き起こすため、太陽の表面は常に変化しています。これには、低温磁気黒点、高エネルギーの太陽フレア爆発、コロナ質量放出 (CME) と呼ばれるプラズマの巨大な泡が含まれます。 フレアやCMEの噴火は放射線を宇宙に放出します。 この活動が組み合わさって、宇宙天気と呼ばれる一種の天気が生み出され、地球上の無線通信、送電網、衛星に干渉する可能性があります。

太陽の目に見える表面のはるか上空にある、その超高温の外気であるコロナも、表面の磁場と相互作用します。 コロナの粒子は美しいストリーマー、ループ、プルームを形成し、太陽の巨大な天体から遠くまで伸びています。 これらの高エネルギー粒子は、すべてのものを質量体の中心に引き寄せる強力な力である太陽の重力から逃れることができます。 放たれると、粒子は時速100万マイルの速度で宇宙に投げ込まれ、太陽の磁場の一部を引きずります。 の太陽風太陽からの磁場と荷電粒子の流れです。

太陽風は太陽系の端まで何十億マイルも伝わります。 そうのように、太陽風はあらゆる惑星と相互作用します。 太陽が宇宙に飛ばす放射線、磁場、荷電粒子の組み合わせは、地球や太陽系の他の部分に影響を与える可能性があります。 太陽風は、大気のない小惑星や惑星の表面に衝突します。 それは月の表面の組成を変化させ、火星の周りに帯電した粒子の泡を作り出します。 地球上では、太陽風は生物とテクノロジーの両方にとって危険となる可能性があります。

幸いなことに、地球には磁気圏と呼ばれる独自の磁場があります。

地球の核は鉄とニッケルでできています。 地球がその軸を中心に回転すると、高温の液体の外核が回転し、固体の内核の周りを移動します。 この動きによって電流が発生し、地球の周囲に強力な磁場を生成して維持します。 この磁場には、通常の棒磁石と同様に、惑星の北と南に位置する 2 つの反対の極があります。

地球の磁気圏と大気は、太陽から発生する太陽風に対する保護シールドを形成しています。 荷電粒子のほとんどはこのシールドに衝突し、磁気圏の力線に沿ってその周りを流れます。 磁気圏の太陽に面する側は太陽風の電磁力によって押しつぶされて平らになりますが、反対側は引っ張られて尾のように引き伸ばされます。

太陽からの荷電粒子が地球の磁気シールドを通過することがあります。 これは通常、太陽嵐や CME が地球に向けて余分な放射線を送り、太陽風の粒子と結合するときに起こります。 それらの粒子は地球の磁気圏に捕らえられます。 次に、それらは地球の電離層の帯電したガスに衝突し、電離層のガス分子を励起してエネルギーを加えます。 電離層の分子が励起されると光を放出し、オーロラと呼ばれる美しい目に見える大気の光のショーを生み出します。

オーロラは、空高くにある明るく美しい色の光の帯です。 地球の電離層にあるさまざまなガスは、太陽からの荷電粒子との衝突によって励起されると、さまざまな色の光を生成します。 光の波長 (したがって色) は、原子自体の電子構造と、原子に衝突する荷電粒子のエネルギーに依存します。 大気の上層では酸素により赤色が生成されますが、中層では酸素により明るい緑色の波が生成されます。 大気の下層にある窒素は紫色を作ります。

いつでも発生する可能性があり、夜は明るくなりますが、日中に見えるほど明るくはありません。 オーロラは地球の極付近で最もよく見られ、地球の磁場の形状により楕円形を形成します。 また、太陽の活動が特に活発なときに発生しやすくなります。 北極では、オーロラはオーロラ ボレアリス、またはオーロラと呼ばれます。 南極では、オーロラ・オーストラリス、または南の光と呼ばれます。

オーロラを経験するのは地球だけではありません。 太陽風は太陽系の多くの惑星に影響を与えます。 オーロラは火星、金星、木星、天王星、木星でも発生します。

太陽と地球は強力な磁場を生成し、その磁場は数千マイルにわたって広がります。 しかし、磁気について学ぶのに惑星ほどの大きさのものは必要ありません。 自宅で磁石を使って、より小さな規模で磁場について学ぶことができます。

棒磁石2個

テスト対象のいくつかのアイテム – コイン、ペーパークリップ、アルミホイル、プラスチックキャップ、コルク栓など。

ペーパークリップの箱（できれば少なくとも 2 つのサイズ）

巻尺（オプション）

家の周りにある磁石（オプション）

蓋付きの小さなプラスチック容器（オプション）

安全性と清掃に関する注意事項:磁石は窒息の危険があり、飲み込むと危険なため、このアクティビティは 3 歳以上のお子様にお勧めします。 この活動中は幼い子供たちを注意深く監督してください。 小さなお子様の場合は、蓋付きの容器の中に磁石を入れて、磁石に直接アクセスせずに磁石の効果を調べてください。 すべての磁石を携帯電話などの電子物体から遠ざけてください。

磁石がどのように機能するかを少し学ぶために、次の小さな実験を試してください。

磁石が互いに引き付け合うことはわかりましたが、磁石ではないものはどうなるでしょうか? 家の周りからいくつかのアイテムを集めてください。それらは磁石に引き付けられますか、それとも反発しますか? それを知るために、他のどのような物体が磁場に反応するかをテストして確認します。

このアクティビティでは、家の周りにあるどの物体が磁性を帯びていて、どの物体が磁性を持たないかを調べます。 物事をテストするときは、メモを取り、パターンを探します。 あなたの観察スキルを活用してください。

各山の項目を確認します。 これらの質問を自分自身に問いかけてください。

非金属の物体は磁石に引き付けられませんが、一部の金属は磁石に引き付けられることに気付いたかもしれません。 鉄、ニッケル、コバルト、鋼などの金属は強磁性です。 強磁性体は独特の分子構造を持っています。 それらの原子は、電子の運動とスピンにより電磁特性を持っています。 これらの原子を同じ方向を向いて平行線に配置するパターンに組み合わせると、個々の磁場が強化されます。 その結果、強磁性材料は磁場にさらされると容易に磁化されます。 鉄や鉄の酸化物であるマグネタイト (Fe3O4) などの材料は、自然に磁場が揃っており、永久磁石です。 強力な磁石は、より弱い強磁性体の磁場を揃えて磁性を持たせることもできます。

磁石にはさまざまなサイズ、形状、強度があります。 磁石を見ただけで、その強さがわかると思いますか？ 確認してみましょう！

実験に取り組み、結果を比較するときは、次の質問を検討してください。

スチール製のクリップが磁石に触れると、一時的な磁石になります。 追加した各ペーパークリップは、わずかに弱い一時的な磁石になります。 しかし、最終的には、より多くのクリップを保持するのに十分な磁力がなくなります。 磁石によって生成される磁場が強いほど、より多くのペーパークリップが引き寄せられます。

磁石のサイズがその強さに関係する場合のみであることに気づいたかもしれません。 大きな磁石の中には弱いものもあります。 小さな磁石の中には非常に強力なものもあります。 それは、磁石のサイズよりも、その強度に影響を与えるのは磁石の材質であるためです。

たとえば、ネオジム磁石は希土類金属でできており、非常に小さくても非常に強力な磁石です。 一方、酸化鉄で作られたセラミック磁石は、一般に弱い磁石ではありますが、はるかに安価で製造が簡単であるため、より一般的です。 冷蔵庫についている磁石はおそらくセラミック製です。 アルニコ磁石は、アルミニウム、ニッケル、コバルト (Al – Ni – Co) から作られています。 これらの強力な磁石は、モーター、センサー、スピーカー、または高温が必要な場所で使用されます。 ペーパークリップの実験で見たように、すべての磁石が永久磁石であるわけではありません。 電磁石は、一時的な磁石とは異なるタイプです。 電磁石の磁場は、電流が流れているときにのみ存在します。 電磁石は導線、釘、電池を使って家庭でも作ることができます。

磁気と太陽天気の研究を続ける方法はたくさんあります。 ここではいくつかの推奨事項を紹介します。

あなたが何を作っているのかぜひ見てみたいです！ ハッシュタグ #SciFriSunCamp を付けてプロジェクトの写真をソーシャル メディアで共有するか、[email protected] に送信してください。

このリソースは、次のパフォーマンスの期待に向けて機能します。

この活動は、NASA のサイエンス アクティベーション ポートフォリオの一部である NASA Heliophysics Activation Team (NASA HEAT) によってサポートされています。

サンディ・ロバーツ著、アリエル・ジック編集、キャリー・ラポーライラスト、サンディ・ロバーツによるデジタル制作。

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Sandy Roberts は、サイエンス フライデーの教育プログラム マネージャーであり、あらゆる学習環境における STEM の公平性を高めるための学習リソースとエクスペリエンスを作成しています。 最近、彼女は折り紙回路で遊んで、グルテンフリーのサワードウのレシピを完成させようとしています。

小さなタートル ナビゲーターを作成し、このアクティビティとコンパニオン ゲームで磁場を検出するために使用します。

磁石とペニーがあれば、人間金属探知機になれます。