太陽・地磁気活動及び電波擾乱現象の解説
太陽活動(光・X線)
<キーワード>黒点,光球磁場,活動領域(彩層),コロナ,フレア,コロナホール,コロナル・マス・イジェクション(CME)

 太陽は、表面温度が約6000度のG型星で、宇宙の星々のなかではもっともありふれた、平凡な星のひとつです。この太陽が、太陽系の盟主として地球上の環境に影響をあたえ、生物の生存に必要なエネルギーを供給しています。ここでは、惑星間空間及び地球磁気圏の電磁環境に大きな影響を及ぼし、宇宙環境予報業務及び宇宙天気予報研究計画の主な対象である太陽活動現象を中心に説明します。
 太陽面を小さな望遠鏡で観察すると表面(光球と呼ぶ)に小さな黒い点が見えます(注意:直接太陽を望遠鏡や双眼鏡で見ると失明するので、絶対しないでください!!)。これを黒点と呼びます。黒点には非常に強い磁場が存在する事が知られています(最大4000ガウス程度)。光球の磁場は、線スペクトルのゼーマン効果を測定する事によってその強さを推定する事ができます。非常に小さな信号を検出するので光計測としては非常に精度の高い測定が必要なものです。平磯センターでは、宇宙天気予報システムの研究のための主力装置のひとつとして、磁場の強さを2次元的にマッピングできるフィルター型マグネトグラフを開発しています。
 光球の上層には、彩層と呼ばれる構造がひろがっています。太陽スペクトル中には、原子やイオンによる選択吸収により、太陽表面からの光に対して非常に不透明になる特定の波長があります。例えば中性水素原子によるバルマー系列α線(普通Hα線と呼ばれています)の波長のみを透過させるフィルターを望遠鏡に取り付けて太陽を観察する事により、通常の連続光では見ることのできない太陽上層部のガスの分布が見えてきます。このような太陽像をHα単色像とよんでいます。最近の研究により、彩層は球殻状のいわゆる“層”ではなく、磁気ループやスピキュール等の小さな構造の集合体である事が明らかになってきました。平磯センターにおいては、宇宙天気予報計画における主力観測装置のひとつとして、Hα太陽望遠鏡を開発し、現在順調に試験観測データを蓄積するとともに、日々の太陽フレア予報において、フレア発生予測のもっとも重要な判断材料として活用しています。観測は個体撮像素子を用いたTVカメラ及びワークステーションを用いて自動化してあります。最終的には、400万画素の高精細デジタルカメラを含めた非常に高性能のパトロールテレスコープとなります。
 太陽の最外層にはコロナと呼ばれる高温の大気が広がっています(静穏状態で数百万度)。コロナもいわゆる“層”ではなく、高温の磁気ループの集合体です。光球の温度が6000度程度であるのに対し、その上層のコロナが数百万度で、熱源から遠いコロナの方が圧倒的に高温となっています。この常識からは考えられない温度分布の逆転は太陽物理学最大の謎のひとつですが、未だその原因は解明されていません。軟X線撮像用望遠鏡(例えばようこう軟X線望遠鏡)で太陽を観測すると、高温コロナからのX線放射が極めて弱い領域が存在します。これは1973年のスカイラブ実験で始めてその存在が明確になったもので、コロナホールと呼ばれています。通常のコロナや活動領域上空のコロナ磁場の磁力線は、表面からでて再び表面にもどる閉じたループ構造をしていますが、コロナホールの磁場は惑星間空間に対して開いた磁力線となっています。コロナホールからは、秒速数百キロの高速の太陽風(コロナの最外延部で、完全電離したプラズマの流れ)が吹き出し、後述する回帰性地磁気嵐を引き起こします。
 太陽面には、光球、彩層およびコロナのあらゆる部分で、磁場がみちあふれています。これはG型星の一般的な特徴ですが、この表面磁場が太陽面の様々な活動現象を生み出しているのです。活動領域をHα線で監視していると、突如として明るく輝き出す現象が観測される事があります。これを太陽フレア(太陽面爆発)と呼び、軟X線、電波等、他の波長域の電磁放射の急激な増大を伴います。電磁放射のみならず、陽子等の高エネルギー粒子線や太陽表面や上層のガスの高速な噴出を伴う場合もしばしばみられます。大規模な太陽フレアでは、電磁放射や運動エネルギーの形で放出されるエネルギーは1033エルグに達し、惑星間空間、地球磁気圏及び電離圏に大きな擾乱をもたらします。特にコロナガスの惑星間空間への噴出は、コロナル・マス・イジェクションと呼ばれ、擾乱の原因として重要視されています。太陽フレアの発生機構については未だ謎の部分が多く、これといった定説は定まっていないのが現状です。しかし、太陽表面に存在する磁気ループの電磁流体的相互作用及び不安定がフレア発生に大きく関与している事はまず間違いはないでしょう。平磯センターにおいては、彩層の磁気ループの様子をHα望遠鏡の観測データから推定し、海外の観測所の光球磁場のデータをオンライン伝送する事により光球磁場に関する情報を得ています。これらのデータから推定される太陽面の立体的な磁場構造を推定して、各種パトロールデータによる活動現況及び海外の予報センターや観測所からの情報を検討し、日々のフレア警報を決定しています。



太陽活動(太陽電波)
<キーワード>コロナ,フレア,テンフレア,f10.7,I,II,III,IV,V型電波バースト,太陽フラックスユニット,ドリフト率,ショック,電子密度,地磁気嵐

 太陽電波は、コロナ域から定常的に放射されている熱的放射(バックグランド放射)と太陽フレアに伴い突発的に放射される非熱的放射(電波バースト)の2種類に大別することができます。
熱的放射の強度は数日から数年にかけてゆっくりと変動しますが、特に2.8GHzでの太陽電波強度は太陽面の黒点数と良い相関があり、太陽活動度を表す良い指標となっています。2.8GHzでの電波フラックスの測定値は波長が10.7僂任△襪海箸らf10.7と呼ばれています。単位は太陽フラックスユニット(1太陽フラックスユニット=10-22W/( Hz))で表します。 またこの周波数で観測される電波バーストをテンフレアと呼び、強さはバックグランドレベルからの大きさで表します。
 太陽フレアに伴って発生する電波バーストは図1に示されるようなダイナミックスペクトル(横軸に時間、縦軸に周波数をとって電波の時間に対する変化を表現した図)上で5つの型に分類することができます。フレアに伴ってすべての型が発生する訳ではありませんが、II型とIV型は地磁気嵐との係わりにおいて特に重要です。

  • I 型
     メートル波帯において継続時間1秒以下で帯域幅が数MHzのバーストが群となって出現する現象です。出現帯域幅は200MHzを中心とした100MHz幅程度に限られた現象で数時間から数日間続くことがあります。活動的な黒点が太陽面にあることを示す良い指標となります。
  • II型
     フレア発生後数分から10分後に始まりメートル波からデカメータ波帯にかけてゆっくりと高い周波数から低い周波数へ下がっていく電波放射で、数分から10分間程出現する現象です。フレアに伴うショック前面で発生するプラズマ波が発生原因で、ショックが太陽大気上方に伝搬するとともに、コロナの電子密度が下がっていくため、時間とともに周波数がゆっくりと下がっていく負の周波数ドリフトとして観測されます。周波数の下がる割合(周波数ドリフト率)は通常1MHz/s以下です。コロナ中の電子密度分布が分かればショックの速さを見積ることができます。詳しくは通信総合研究所季報の1994年3月号「平磯の新太陽電波観測システム」を参照してください。況燭発生しさらに後述の厳燭発生すると、数日後に地磁気嵐が発生する確率が高くなりますが、太陽地球間の距離(約1億5千万km)をこのショックの速さで割ることにより、地磁気への影響が始まる時間(概算値)を予測することができます。
  • III型
     フレア発生直後にメーター波からデカメータ波帯にかけて出現する大きな負の周波数ドリフト(〜100MHz/s)を示すバーストがIII型バーストです。フレアに伴う電波バーストとしてはもっとも普通に現れ、群として出現することもあります。
  • IV型
     センチメータ波からデカメータ波帯までの広い範囲で発生し、II型とともに地磁気嵐との係わりでは重要な指標となるバーストです。況燭飽き続いて発生した場合は、フレアに伴ってプラズマの塊が太陽から放出されたことを示しており、数日後に地磁気嵐の発生する確率が高くなります。
  • V 型
     メータ波帯からデカメータ波帯にかけてIII型に引き続いて発生する広帯域放射現象で、継続時間は数分程度です。


惑星間空間及び地磁気・プロトン現象
<キーワード>太陽風,磁気圏,高エネルギープロトン,急始性地磁気嵐、緩始性地磁気嵐,コロナル・マス・イジェクション(CME)

太陽からは常時、300−400km/sの速度で吹き出す太陽風と呼ばれるプラズマの流れがあり、惑星間空間を飛来して地球の磁場に衝突して周辺に磁気圏と呼ばれる空間を作り出します。この結果、地球に近い惑星間空間は温度50万度、密度が5個/ccの太陽風プラズマによって常に満たされています。太陽風プラズマはまた平均6nT(ナノテスラ)の磁場を持っており、この磁場と磁気圏の相互作用が地磁気嵐の発生に重要な役割を果たします。
太陽風の風圧と磁気圏の磁気圧がつりあうところを境界として磁気圏が形成されます。磁気圏境界の位置は昼側で地球から約65000 キロメートルであります。、夜側彗星のように磁場が吹き流されており、その長さは、150万キロメートル以上にまで達しています。磁気圏の中では太陽風のエネルギーの一部が流入するために常にプラズマの大規模な対流運動があります。また、磁気圏の中には地球をドーナツ状に取り囲む放射線帯があり、ここを人工衛星が通過すると半導体エラーなどの障害が発生することがあります。
 太陽の活動領域で太陽フレアが発生するとX線や高エネルギープロトンなどからなる太陽宇宙線が放射されます。X線などの電磁波は約8分かかって直接、電離層へ達しますが、太陽プロトンは30分から数時間で地球へ達し、磁気圏の中へ侵入します。侵入したプロトンは磁場によって曲げられるために磁気圏の内側へ達することはできませんが、赤道面の静止衛星軌道に達し、衛星機器の半導体にエラーを発生させたり、太陽電池パネルを劣化させるなどの障害を引き起こします。1989年に頻発した太陽プロトン現象のために気象衛星や放送衛星の太陽電池が著しく劣化したことはよく知られています。一方、太陽プロトンは中低緯度の電離層に達することはできませんが、地球の磁力線沿いに極域電離層に侵入します。極軌道の周回衛星や二次的に放射されたX線によって極回りの航空機が被曝すると言われています。極域電離層は強く電離される結果、極冠異常吸収(PCA)が発生して極域を伝搬する短波通信が障害を受けます。
 また、太陽フレアやコロナル・マス・イジェクション(CME現象)によって太陽から高速プラズマ塊が放出されることがあります。高速プラズマ塊は太陽風の中を衝撃波を伴って伝搬し、地球の磁気圏と衝突して地磁気嵐を発生させます。衝撃波が磁気圏に達すると磁気圏は急激に圧縮され、地上で地磁気の急激な増加(SSC)が観測されます。その大きさは数nTから大規模な地磁気嵐では100nT以上になります。高速プラズマ塊は太陽面から運んだ磁場を持っており、これが南を向くと地球の磁場と相互作用を起こしてエネルギーが磁気圏の中へ流入します。この結果、SSCのあと数時間以内に、極域でオーロラ現象を起こす磁気圏嵐や磁気圏内部に地球を取り囲む形で還電流が発達し、地球規模で磁場が減少する地磁気嵐を起こします。このような衝撃波を伴う高速プラズマ塊は、コロナホールやフィラメント消失でも放出されることがありますが、衝撃波を伴わないプラズマ塊もあり、SSCを伴う急始型地磁気嵐に対して緩始型地磁気嵐も多数発生します。
 磁気圏嵐や地磁気嵐の際には磁気圏の内部で高温プラズマが生成されるために、これに曝された人工衛星が帯電現象を起こし、半導体エラーなどの障害が発生することが知られています。特に、磁気圏嵐の際には、磁気圏の尾部で磁場のエネルギーがプラズマの運動エネルギーに変換されて高温プラズマが生成されるために、真夜中付近で静止衛星の帯電現象が多発し、半導体の誤動作の原因となります。
 地磁気嵐が大きく発達してくると磁気圏の粒子や電磁波により極域で電離圏嵐が発生し、それが1〜2日後には中低緯度に及びます。このために、電離層の電子密度の低下を引き起こして通信障害が起こります。電離圏の中では電離大気と中性大気の相互作用の結果、熱圏嵐と呼ばれる大気の加熱が起こり、この結果、周回軌道の人工衛星に対する大気摩擦が増加し、衛星の寿命の短縮を招きます。



電離層電波伝搬と異常現象
<キーワード>デリンジャー現象,太陽相対黒点数,MUF,LUF,D層,E層,F層,スポラディックE層,磁気嵐

 中−短波帯の電波は、電離層と地表の間を何回も反射しながら、地球の裏側までも伝搬します。電離層は超高層大気が太陽の、主として紫外線によって光電離されて作られますが、その特性は太陽活動、地磁気活動、大気の物理、化学的変化によって大きく影響を受けます。
 電離層の短波帯の電波に対する特性は、大まかに高度80km付近のD層、110km付近のE層と250km付近のF層に分けられます。日本のような中緯度ではD層は日中のみ作られ、電波を吸収する働きがあります。E層も日中に発達します。短波帯の低い周波数では電波を反射しますが、吸収する働きも少しあります。F層は日中はF1層とF2層に分かれますが、夜間は1つの層になり、日中E層、F1層で作られたプラズマを蓄え、電波を反射して遠距離伝搬の担い手になっています。

  • 静穏時の電離層伝搬
     電離層が静穏なときの、短波回線の特性を予測する手法はほぼ確立されており、国際電気通信諮問委員会(CCIR、現在ではITU−R)等から公表されています。一般的には送受信点の位置関係、月、時刻等によって可能な伝搬モードを選び、それぞれのモードについてMUFと電波の減衰量を算出します。最終的に最も卓越するモードによって回線のMUFとLUFが決定されます。
     MUFとLUFは常に変化しますが、太陽黒点相対数をパラメータとして、それぞれの月中央値の予測が「日本中心の短波伝搬曲線集(短波を上手に使う法)郵政省電波研究所編、電気通信振興会発行」(既に絶版です。)にまとめられています。曲線集には様々な回線毎に、12ヶ月のMUFとLUFの日変化がプロットしてあります。太陽黒点相対数はテレホンサービスをお聞き下さい。
  • 異常現象
     太陽活動や地磁気の擾乱、超高層大気の変動によって電波の伝搬状態は様々な影響を受けます。特にデリンジャー現象、地磁気嵐による電離層擾乱とスポラディックE層は電離層伝搬に大きな影響を与えます。
    1. デリンジャー現象
           太陽フレアによるX線の増加でD層が異常に電離し、電波が吸収されて短波通信が数分から数十分間途絶える現象で、フレアの規模によっては希に数時間続く事があります。
    2. 地磁気嵐による伝搬異常
           磁気嵐により、高緯度地方を中心に電離層のF層が変化し、フェーディングの増加、MUFの低下とLUFの上昇を引き起こします。     大規模な地磁気嵐では高緯度だけでなく、中低緯度でも電離層の異常が数日にわたって継続することがあります。
    3. スポラディックE層
      中緯度帯の夏(特に5月から8月にかけて)には、スポラディクE層(Es)が発達します。時には非常に強く発達した結果、短波帯ばかりか超短波帯まで反射して防災無線やテレビに混信を起こす要因になります。