これは私の Aurora モジュールの動画です。オーロラと、地球の磁場の中を運動する荷電粒子をモデル化しています。ここではオーロラそのものをあらかじめ描いているわけではありません。シミュレーションの結果として、粒子が実際に到達した場所に少しずつ現れていきます。モジュールでは地球の磁場を双極子磁場として表現しています。磁場は極付近で強く、磁気赤道付近では弱くなります。この磁場の中に、初期条件を少しずつ変えた数千個の荷電粒子を送り込み、その後プログラムがそれぞれの粒子の運動を個別に計算します。粒子は、描かれた磁力線に沿って単純に進むわけではありません。ローレンツ力を受けるため、磁場のまわりをらせん状に回転しながら、同時に磁場に沿って進みます。計算には Boris アルゴリズムを使っています。これは、磁場中の荷電粒子の運動をシミュレーションするのに特に適した数値計算法です。
その先で、面白い現象が起こります。磁気ミラーです。粒子が極に向かって進むと、磁場はだんだん強くなります。粒子の横方向の運動は強くなり、一方で磁力線に沿った運動は遅くなります。その結果、多くの粒子は大気まで到達しません。途中で止まり、向きを変え、磁気赤道の方向へ戻っていきます。ただし、すべての粒子がそうなるわけではありません。最初から磁場に沿った方向へ十分強く動いている粒子は、磁気ミラーに反射される前に下へ進むことができます。このような方向の範囲はロスコーンと呼ばれます。その中に入った粒子が、上層大気まで到達します。
そのため、このシミュレーションではオーロラが単純に「極の近く」に現れるわけではありません。粒子は異なる磁気シェルから、さまざまな角度で出発し、最終的にどの領域へ降り込むかをプログラム自身が計算します。やがて粒子の到達点は磁極のまわりにリング状に並び、オーロラオーバルを形作ります。動画では、飛んでいる粒子の色が異なることにも気づくと思います。寒色系の色は、磁場に捕捉されたまま反射して戻っていく粒子を表しています。暖色系の色は、ロスコーンの中を進み、大気へ向かっている粒子を表しています。
粒子が大気に到達すると、その場所に小さな発光領域が現れます。こうした到達点が大量に積み重なることで、オーロラそのものが少しずつ形成されていきます。低い高度では緑色、高い高度ではより弱い赤みがかった光へ変化します。これは実際のオーロラに見られる特徴的な色を表現したビジュアルモデルです。つまり、このモジュールで惑星のまわりに見える緑色のリングは、あらかじめ描かれたエフェクトではありません。
プログラムは磁場を計算し、その中へ数千個の粒子を送り込み、どの粒子が磁場によって反射され、どの粒子が実際に大気まで到達するのかを調べます。そして、その粒子が到達した場所からオーロラが形成されていきます。
このモジュールは、私が開発している Makarov Physics Suite の一部です。
Steam: https://store.steampowered.com/app/4861360/Makarov_Physics_Suite/