太陽は、なぜ表面より外側のほうが熱いの？
― 6000℃の表面の上に、100万℃のうすい大気がのっています
たき火は、離れるほど熱くなくなります。ところが太陽では、これが逆になっています。光っている表面は約6000℃なのに、その外側に広がる大気は100万℃をこえるのです。熱を運んでいるのは炎の熱ではなく、太陽の磁石の力だと考えられています。
サウナの中は90℃をこえることがあります。それでも人は、そこで何分も座っていられます。同じ90℃のお湯に手を入れたら、一瞬でやけどをするのにです。
温度が同じでも、空気はうすくて、体に渡せる熱が少ないからです。「温度が高い」ことと「熱をたくさん持っている」ことは、実は別の話です。
この違いが、宇宙でいちばん身近な星の、いちばん大きななぞにつながっています。皆既日食のとき、黒い月のまわりに白く広がる光の冠。あれが100万℃のコロナです。
理由は2つだけ
表面から上へ熱が流れるだけなら、外側は表面より熱くなれません。コロナを熱しているのは、表面の下から伸びてくる磁場（磁石の力の通り道）が運ぶエネルギーだと考えられています。
コロナの粒の数は、表面近くの1億分の1ほどしかありません。そのため、ほんの少しのエネルギーでも粒1個あたりの動きが激しくなり、温度は100万℃まで上がります。
つまり、コロナは「すごく熱いもの」というより、「数の少ない粒が、とても速く飛び回っている場所」です。順番に見ていきましょう。
表面から外へ、温度はどう変わるのか
図1を見てください。横の軸は太陽の表面からの高さ、縦の軸は温度です。縦の軸は1目もりで10倍になる目もりにしてあります。
表面から500kmほど上がると、温度はいったん4000℃あまりまで下がります。ここまでは、たき火と同じ「離れると冷える」です。ところがその先で温度は上がり始め、高さ2000kmあたりで約2万℃になります。
そして、そのすぐ上の数百kmで、温度は一気に100万℃近くまで跳ね上がります。この急な坂の部分を「遷移層」と呼びます。その外側が、宇宙へ広がるコロナです。
熱を運んでいるのは、磁石の力
熱は、熱いところから冷たいところへしか流れません。これは自然の大原則です。だから表面の熱が「にじみ出て」コロナを温めている、という説明は成り立ちません。外側のほうが熱いからです。
そこで注目されているのが磁場です。太陽の表面のすぐ下では、高温のガスが煮えたぎるように上下に動いています。その中から、磁場の束がループの形で表面の外へ突き出しています。
ガスの動きにゆさぶられて、磁場の束はねじれたり、ふるえたりします。考えられているしくみは大きく2つです。1つは、磁場の束をつたって波が上へ伝わり、コロナで力尽きて熱に変わるというもの。もう1つは、ねじれた磁場が小さくつなぎ変わり、そのたびにごく小さな爆発が起きるというものです。
どちらも「熱」ではなく「動き」を上へ運び、上で熱に変えます。これなら、外側のほうが熱くなっても原則に反しません。手でこねた粘土が温かくなるのと同じで、温度の低いものからでも、動きを渡せば相手を熱くできるのです。
うすいから、少しのエネルギーで熱くなる
図2を見てください。左の箱は表面近く、右の箱はコロナです。点の1つ1つが、ガスの粒を表しています。
温度とは、粒1個あたりの動きの激しさのことです。粒の数がとても少ないコロナでは、全体に少しのエネルギーを配るだけで、1個1個がとても激しく動けます。全体が持っている熱の量で比べると、同じ大きさの空間で、コロナは表面近くの数十万分の1しか持っていません（計算は最後の折りたたみにあります）。
うすいことには、もう1つの効果があります。熱いガスは光を出して冷えますが、その強さは粒どうしがぶつかる回数で決まります。粒が少ないコロナでは、ぶつかる回数が少なく、なかなか冷めません。だから少しずつ足されるエネルギーでも、高い温度が保たれるのです。
1869年の皆既日食で、コロナから地球上のどの元素とも合わない緑色の光が見つかりました。新しい元素「コロニウム」があると考えられた時期もあります。1940年前後、この光は電子を13個もはぎ取られた鉄から出ていると分かりました。そこまで電子をはぎ取るには、100万℃ほどの高温が必要です。なぞの元素の正体が、なぞの高温の証拠になったのです。
表面が宇宙へ出している光にくらべて、静かなときのコロナを保つのに必要なエネルギーは、約20万分の1とされています。太陽の動きのほんのわずかな「おすそ分け」で、100万℃が保たれている計算です。
まとめ
太陽の外側のコロナが表面より熱いのは、熱が下からにじみ出たからではありません。表面の下のガスの動きが磁場をゆさぶり、そのエネルギーが上で熱に変わると考えられています。しかもコロナはとてもうすいので、わずかなエネルギーで粒1個1個が激しく動き、100万℃になります。ただ、2つのしくみのどちらがどれだけ効いているのかは、いまもはっきりしていません。
コロナは「熱いかたまり」ではなく、「速すぎる少数の粒」。
温度の高さと熱の多さは、別のものです。
宇宙空間がなぜ人の体を急に凍らせないのかは「宇宙は寒いって本当？」で、コロナから吹き出すガスが地球に何をもたらすかは「太陽の大爆発で、地球が停電することはあるの？」で解説しています。太陽そのものが光り続けるしくみは「星はなぜ、何十億年も光り続けられるの？」へ。
- 冷凍庫を開けて、中の空気に手をかざします（数秒だけ）。冷たいですが、がまんできないほどではありません。
- 次に、同じ冷凍庫で冷えた保冷剤を、タオルごしに数秒だけ持ってみます。空気と同じ温度なのに、ずっと冷たく感じるはずです。空気はうすく、手から熱をうばう力が小さいからです。
- インターネットで、太陽観測衛星の画像を探してみます。目で見える光で写した太陽と、目に見えない短い波長の光で写した太陽をくらべると、後者ではコロナの磁場のループが光って見えます。
※保冷剤を素手で長く握ると、皮膚をいためることがあります。タオルをはさみ、数秒でやめましょう。太陽そのものは、絶対に直接見ないでください。日食のときも、専用のめがねを使います。
もっと知りたい人へ ― 用語・数式・教科書とのつながり中学理科から大学の専門科目まで、どのレベルの話かを明示しています
- 中学中学校の理科で習う範囲
- 高校高校の「物理」「地学」で習う範囲
- 高校＋高校の発展、または教科書のコラム扱いの内容
- 大学高校では習わない、大学の専門科目（太陽物理学・プラズマ物理学）の内容
- 研究大学でも「定説」として教わらない、いま研究者が調べている最中の話
中学用語：この現象には名前があります
- 光球：ふだん見ている、太陽の光る表面。温度は約6000℃。
- 彩層・遷移層：光球のすぐ上の、厚さ2000kmほどのうすい層が彩層。その上で温度が急に上がる、数百kmの層が遷移層です。
- コロナ：遷移層の外側に広がる、100万℃をこえる太陽の大気。皆既日食のときに白い冠として見えます。
- コロナ加熱問題：コロナがなぜ表面より熱いのかという、70年以上続く太陽物理学のなぞ。
中学高校式で確かめる：コロナは、どれだけ熱を持っているのか
温度は粒1個の激しさ、熱の量は粒全部の合計です。同じ1立方メートルの中に、表面近くとコロナがどれだけの熱をためているかを比べます。
| 記号で書くと | ｕ ＝ (3/2) × ｎ × ｋ × Ｔ |
| 言葉で書くと | 1立方メートルにたまっている熱 ＝ 1.5 × 粒の数 × ボルツマン定数 × 温度 |
| どこから来る式か | 気体分子運動論。粒1個が持つ動きのエネルギーの平均は (3/2)ｋＴ で、温度に比例します。それに粒の数をかけたものが全体の熱です |
| ｕ | 1立方メートルあたりの熱の量（単位はジュール毎立方メートル） |
| ｎ | 1立方メートルあたりの粒の数 |
| ｋ | ボルツマン定数（どちらにも同じ値がかかるので、比べるときは消えます） |
| Ｔ | 温度（単位はケルビン。この桁ではほぼ℃と同じ数） |
| 表面近くの温度 | 約6000 ケルビン |
| コロナの温度 | 約100万 ケルビン |
| 粒の数の比（表面近く：コロナ） | およそ1億：1 とされています |
| 表面1平方メートルが出す光 | 約6300万ワット とされています |
| 静かなコロナを保つのに必要な量 | 表面1平方メートルあたり約300ワット とされています（Withbroe・Noyes 1977） |
| 温度の比（コロナ ÷ 表面） | 1000000 ÷ 6000 ≒ 167 |
| 熱の量の比（粒の数の比 ÷ 温度の比） | 100000000 ÷ 167 ≒ 600000 |
| 表面の光とコロナに必要な量の比 | 63000000 ÷ 300 ＝ 210000 |
温度は167倍も高いのに、同じ1立方メートルにたまっている熱の量は、コロナのほうが約60万分の1です。そして、それを保つのに必要なエネルギーは、表面が出す光の約21万分の1にすぎません。ちょうど、サウナの90℃の空気が、90℃のお湯よりずっと少ない熱しか持っていないのと同じ関係です。
高校高校＋熱力学の第二法則と、「動き」で温める方法
高校熱は、ひとりでに低温から高温へ移ることはありません（熱力学第二法則）。ただし仕事（力を加えて動かすこと）なら、低温のものから高温のものへも渡せます。冷蔵庫が中の熱を暖かい部屋へくみ出せるのと同じ理屈です。コロナの加熱も、表面付近のガスの動きが磁場を通して「仕事」としてエネルギーを運ぶ、と考えると矛盾しません。
高校＋コロナの温度は、輝線スペクトルから求められます。1940年前後にグロトリアンとエドレンが、緑色の輝線（波長約530ナノメートル）を、電子を13個失った鉄イオンによるものと突き止めました。これほど電子をはぎ取るには、粒どうしのぶつかり合いが100万ケルビン級でなければなりません。
大学波動加熱とナノフレア加熱
コロナは電子とイオンに分かれたプラズマで、磁場に沿って動きます。有力な説明は2つあります。1つは「波動加熱」で、磁力線をつたわるアルヴェン波などがコロナで散逸して熱になるという考えです。もう1つは「ナノフレア加熱」で、表面の対流でねじられた磁力線が「磁気リコネクション」（つなぎ変わり）を起こし、小さなフレアが無数に起きて熱するという考えです。うすいプラズマが光を出して冷える強さは、密度の2乗に比例する「放射冷却」で表され、うすいコロナはなかなか冷えません。
📖 式の導出や、さらに先の内容：コロナ（ウィキペディア） ／ 磁気リコネクション（ウィキペディア）
研究まだはっきりとはわかっていないこと
- 波とつなぎ変わり、どちらが主役なのか。 両方とも観測で手がかりが見つかっていますが、それぞれがどれだけの割合で効いているのかは決着していません。場所や太陽の活動の時期によって違う可能性もあります。
- 太陽に近づいた探査機が見たもの。 2018年に打ち上げられたパーカー・ソーラー・プローブは、磁場がS字に折れ返る構造を太陽の近くでたくさん見つけました。これがコロナの加熱とどう関係するのかが調べられています。
- 小さな「キャンプファイア」。 2020年、探査機ソーラー・オービターは、表面近くに無数の小さな増光を写しました。これがナノフレアの正体の一部なのかが議論されています。
つまりこの記事の内容も、「いまわかっている範囲での説明」です。コロナ加熱問題は、太陽物理学でいまも最も大きな問いの1つとされています。
教科書とのつながり（レベル別）
| レベル | 科目・単元 | この記事のどこ |
|---|---|---|
| 中学 | 理科「太陽系と恒星」「熱の伝わり方」 | 光球・コロナの名前、熱は高温から低温へ |
| 高校 | 物理「気体分子運動論」「熱力学」、地学「太陽」 | 温度は粒1個のエネルギー、熱の量との違い |
| 高校＋ | 物理「原子のスペクトル」 | 緑色の輝線と鉄イオンから温度を知る |
| 大学 | 太陽物理学・プラズマ物理学 | アルヴェン波、磁気リコネクション、放射冷却 |
| 研究 | 太陽探査機による観測 | 波とつなぎ変わりの寄与の割合 |
| ― | 生活とのつながり | サウナの空気とお湯、冷凍庫の空気と保冷剤の違い |
- ウィキペディア「コロナ」
- Withbroe, G. L. & Noyes, R. W. (1977) Mass and Energy Flow in the Solar Chromosphere and Corona. Annual Review of Astronomy and Astrophysics 15
- Vernazza, J. E., Avrett, E. H. & Loeser, R. (1981) Structure of the solar chromosphere. III. The Astrophysical Journal Supplement Series 45
- Edlén, B. (1943) Die Deutung der Emissionslinien im Spektrum der Sonnenkorona. Zeitschrift für Astrophysik 22
- ウィキペディア「磁気リコネクション」
※本記事は一般向けの科学解説です。掲載した数値は、しくみを理解するための目安・概算です。図1の温度の変わり方は平均的なモデルの概形で、実際の太陽では場所や時期によって大きく異なります。