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1 宇宙天気現象による 脅威と安心 安全 情報通信研究機構 宇宙環境インフォマティクス研究室長 石井守

2 本日のトピックス 宇宙天気とは 社会インフラへの影響 宇宙天気に関連する国際動向 宇宙天気最近の動向 NICTの宇宙天気研究 まとめ

3 What is Space Weather? 宇宙天気とは

4 映画 : ノウイング (2009 年米国 ) ある日 小学生ケレイブは 50 年前に小学校で埋められたタイムカプセルから数字の書きこまれた紙を持ち帰る そこには過去に起きた大惨事の日付と犠牲者の数が書かれていたのだ やがて数字に予告された日付に大事故が起きる さらに数字の最後には 人類がかつて遭遇したことがない大惨事が待っていた それは 2009 年に太陽のスーパーフレアで人類が滅亡するという予言だった 4

5 5 5 宇宙天気のターゲット 宇宙環境に起因する衛星障害 静止衛星 (300 以上 ) 電離層 ( 電離圏 ) の電波伝搬障害 5

6 緊急報道発表

7 新聞記事

8 TV 報道 5/17: TBS NEWS23 フジTV スーパーニュース 日テレ NEWS EVERY 5/18: 日テレ NEWS ZERO

9 記録上最大の宇宙天気現象 キャリントンイベント (1859 年 9 月 1-2 日 ) 送電線が帯電 電信オフィスが発火 非常に明るいオーロラが発生し 夜でも新聞が読めた

10

11 もし現在キャリントン級の現象が起こったら? 経済的損失の計算 Regions Best Worst 米国 カナダ 128, ,866 スカンジナビア 英国 独 仏 伊 瑞 墺 28,903 37,210 73,934 95,185 欧州全体 102, ,395 日本 41,746 53,745 豪州 7,617 9,806 潜在的 地球レベルの影響は本計算に含んでいない 東日本大震災の経済損失 : 100, ,000 ( 百万ドル ) Unit; 百万ドル Reference: SWISS Re, Space Weather Workshop 2014, April 8-11, 2014, Boulder US.

12 米国は 宇宙天気を地震や津波と並べ 米国戦略的国家危機評価 (US Strategic National Risk Assessment) の一つとして検討

13 Influence on social infrastructure 社会インフラへの影響 13

14 1 表面帯電 太陽光 後方散乱電子 光電子 2 次電子 2 次電子 外部電子 2 次電子 外部イオン 現象 : 衛星表面にプラズマが帯電 放電して障害を引きおこす現象 要因 : サブストーム ( 地磁気変動 ) に伴う粒子注入寄与粒子 : ~100keV 電子

15 15 あすか衛星障害 ( 制御不能 ) 2001 年 2000 年 7 月に強い地磁気嵐によって地球大気が膨張し 大気摩擦によりあすか衛星の姿勢制御ができなくなった その結果 観測を継続できなくなり 2001 年 3 月に衛星運用を終了した JAXA/ISAS NICT Hiraiso X 線天文衛星あすか 朝日新聞

16

17 衛星時計誤差 測位衛星 電離圏擾乱 電波の揺らぎ 衛星位置誤差 電離層遅延電離層高度 250~400km 程度 対流圏遅延 対流圏 マルチパス

18 プラズマバブル ( 電離圏の 泡 )

19 19 GIC( 地磁気誘導電流 ) 発生によるカナダ大停電 1989 年 1989 年にカナダ ケベックにおいて強い磁気嵐期間中に大停電が起こった これは GIC( 地磁気誘導電流 ) によるものと考えられている 太陽フレアの原因となった黒点 PSG&E GIC により破損したトランス NAOJ 静止軌道上での X 線 磁気嵐発生 (Dst 指数 )

20 National Institute of Information and Communications Technology デリンジャー現象 ( 電離圏による短波異常減衰 ) 大きな太陽フレア ( 太陽面爆発 ) 太陽 X 線量の急増 電離圏 D 領域の電子密度急増 短波電波の吸収 通常状態の短波伝播 太陽フレア発生時

21 デリンジャー現象発生時のイオノグラム

22 How does the other countries think about space weather? 宇宙天気政策をめぐる国際動向

23 ISES: 国際宇宙環境サービス (14 か国が加盟 ESA が Collaborative Expert Center として参加 ) 局所的電離圏観測や地磁気観測の地上観測網が充実している他 独自の宇宙天気数値予測モデル ( 太陽風 磁気圏 電離圏 ) の開発を実施 太陽監視衛星 太陽風監視衛星 静止軌道衛星など多くの衛星を運用し データを提供 ワルシャワ ( ポーランド ) ルンド ( スウェーデン ) ブリュッセル ( ベルギー ) モスクワ ( ロシア ) 北京 ( 中国 ) オタワ ( カナダ ) NICT プラハ ( チェコ共和国 ) ジェジュ ( 韓国 ) 東京 ( 日本 ) ボルダー ( 米国 ) ISES 本部 (NOAA) ニューデリー ( インド ) サンジョセドスカンポス ( ブラジル ) ヘルマナス ( 南アフリカ共和国 ) シドニー ( オーストラリア ) 国際協力によって宇宙天気予報を推進 23

24 宇宙天気に関する国際会議数の推移 ICAO CGMS UN/COPUOS ICTSW( 含テレコン ) ISES WS

25 宇宙状況認識 (Space Situation Awareness: SSA) 米国軍事要求から発生 宇宙開発利用の包括的な安全安心のための状況認識 検討開始米国 :20 世紀後半 欧州 :2006 年 ESA 我が国では 2013 年 1 月の 宇宙基本計画 の改正で盛り込まれる 具体的対象 スペースデブリ 宇宙天気 地球近傍天体 ( 小惑星 隕石 )

26 国連 世界の宇宙天気 ( 運用 ) 関係組織 宇宙平和利用委員会 (UN/COPUOS) 国際民間航空機関 (ICAO) ISWI (International Space Weather Initiative) WG 2009~2011 Long-Term Sustainability WG 2011~2014 国内 WG (JAXA) 2011~ IAVSWOPSG (International Airways Volcano Watch Operations Group) 2009~ 国際科学会議 (ICSU) 世界気象機構 (WMO) 国際宇宙環境サービス (ISES) ICTSW (International Coordinate Team for Space Weather) 2009~ Space Weather Workshop (NOAA) European Space Weather Week Asia-Oceania Space Weather Alliance (NICT) 2010~ 26

27 宇宙天気情報の航空機運用への利用義務化 国際民間航空機関 (ICAO) 第 3 付属書 : 航空機の運行責任者等に提供しなければならない気象情報を規定 現在 宇宙天気情報を含めるよう第 3 付属書の改定が進められている 宇宙環境インフォマティクス研究室は長年培ってきた宇宙天気の知見を活かし データ提供への寄与を目指して企画戦略室と連携し 総務省 気象庁と検討を進めている 背景 航空運用において 宇宙天気情報は通信 測位 被ばくの 3 つの点で重要 通信 : 短波通信のみ利用可能な極域において宇宙天気現象による通信途絶が発生しうる 測位 : 宇宙天気現象による測位誤差増大 衛星測位の使用不能 被ばく : 太陽宇宙線の増大による極域航路での被ばく ICAO 宇宙天気センター 航空機関への情報提供を行うセンターは領域ごとに設定される見込み 日本としての対応を関係機関と調整中 短波通信のみが可能な領域 2014 年 2 月 ICAO 国際航空路火山 監視運営部会にて検討承認 2014 年 7 月 ICAO 気象部門会合 承認 2016 年秋頃 ICAO 総会 反映 国内航空法改正 27 航空機の宇宙天気情報利用

28 How is Space Weather recently? 宇宙天気現象の最近の動向

29 1860 年以降の太陽黒点数 黒点数 年

30 第 11 期 (1855 年 ) 以降の活動周期を比較 200 黒点数 年

31 第 24 期と第 23 期の活動周期を比較 黒点数 年 20 22

32 第 24 期と第 12 期の活動周期を比較 黒点数 年 20 22

33 第 24 期と第 16 期の活動周期を比較 黒点数 年 20 22

34 1976 年以降の黒点数とフレア発生数 150 黒点数 C1 以上 X1 以上

35 1932 年以降の Kp 指数 (1 年平均 ) の変化 年

36 1932 年以降の Kp 指数 (1 年平均 ) の変化 年

37 What does NICT do for space weather? 宇宙天気に関する NICT の取り組み

38 - 電波警報から宇宙天気予報へ - 短波による長距離通信の時代 有線ネットワークによる通信の時代 宇宙開発 利用の時代 S. Korea 短波通信に対する電離圏の影響を通報 予報する 電波警報 を実施 1940 年代 電波警報の国際組織 IUWDS( 現 ISES) 発足 地域警報センターとして加盟 1950 年代 1962 年 太陽活動が電離圏に与える影響の研究が盛んに 1988 年 世界に先駆け 宇宙天気予報の研究開発 に着手 1995~ 米国 National Space Weather Program 2002~ ESA Space Weather Application Pilot Project 電波研 (RRL) 通総研 (CRL) 情報通信研究機構 (NICT) 38

39 NICT 宇宙天気予報センター ISES 予報センター間の予報情報およびデータの交換 共有 実時間宇宙天気モニタリング観測 シミュレーション結果 フレア予測 地磁気活動予測 高エネルギー粒子予測 短波電波伝搬状況予測 NICT 宇宙天気予報センター 太陽活動や地球周辺の宇宙環境の現状と予測を Web, 電子メール RSS FAX 等により配信 大規模現象時にはプレスリリース等でも注意を喚起 スタッフ : パーマネント職員 10 名 有期研究員 4 名 技術員 補助員等 5 名 Web アクセス数 : 158,057 件 / 月 (2013 年 5 月 ) 登録数 : 9,271 件 (6/20 現在 ) FAX 登録数 : 17 件 (6/20 現在 ) 国内の主なユーザ : 衛星運用機関 航空関係機関 電力事業者 短波利用機関 物理探査事業者 大学 研究機関等学術機関 アマチュア無線等 39

40 中期計画およびその先の目標 衛星障害 電離圏電波伝搬障害の予報技術 静止軌道上電磁環境の予報技術 その先にあるものは 自然由来の電磁環境の把握と対策 1000 年に一度の極端現象 ( 超巨大フレア ) の際の国民生活への影響を科学的な見地からシミュレーションし必要な対策をとるための助言を行う ( 無用な不安を解消する ) 人工由来の EMC と連携し総合的な電波利用の安心 安全を実現 通信障害 EMC 宇宙環境 人工由来の不法 不要電波の他機器 人体への影響 防護のための標準化 指針策定 自然由来の電波の衛星 電子機器 人体への影響 影響評価 明確な警報基準の策定 安定な電波の利用

41 41 NICT Space Weather monitoring network magnetometer Far east magnetometer & HF radar network Southeast Asia ionospheric observation network (SEALION) HF radar Domestic operational ionosphere observation network, Satellite receiver & solar radio telescope Ionosonde Ionosonde (Syowa, Antarctica) ACE receiver Solar radio Telescope

42 Example movie of extreme event N=100 [/cc], V=745 [km/s], By= 4.3 [nt], Bz= [nt], T= 2*10^5 [K](dynamic press.x80) 2min/step improvement of robustivity makes possible to calculate extreme event

43 Watching ionosphere with GPS Relationship between space weather and earthquake/tornade GPSでみる電離圏 ~ 地震 竜巻と宇宙天気 ~

44 GPS 受信機網による 2 次元 TEC 観測 GPS 衛星の軌道と視野内衛星数 [from Wikipedia] 国土地理院 GEONET の GPS 受信機分布図 ( 約 1,240 点 ) 稠密な GPS 受信機網と視野内にあるすべての GPS 衛星を用いることで 高い空間解像度で広範囲に面的な電離圏観測が可能である

45 世界の GPS 地上受信機分布 2014 年 1 月現在 オンラインでデータ取得が可能な地上 GPS 受信機は 世界に 6,000 点以上存在する NICT では これらの GPS 受信機データを収集 TEC データに変換し データベースを構築している

46 高空間分解能 GPS-TEC 観測 Region # of GPS Rec. JAPAN ~1,200 receivers N. America ~2,700 receivers Europe ~1,200 receivers Detrended TEC Map (60-min Window) Nighttime MSTID Daytime MSTID Nighttime MSTID [Tsugawa et al., 2007a]. [Tsugawa et al., 2007b]. [Otsuka et al., 2012].

47 3.11 東北地震後の電離圏変動 地震から約 37 分後の鉛直 TEC マップ [Saito et al., 2011] 地震発生の約 10 分後から 電離圏震央 ( 印 ) を中心として 鉛直 TEC の急激な減少が観測された この急激な TEC 減少領域は 電離圏震央付近のみに見られ 1 時間以上続いていた

48 地震後に観測された電離圏変動の解釈 電離圏で観測された同心円状の波の第一波 ( 約 3.5km / 秒 ) は レイリー波 ( 表面波 ) で励起された音波によるもの 第 2 3 波の波は 津波波源 ( または電離圏震央 ) の海面で励起された音波が 直上の電離圏下部で起こした大気重力波によるもの 第 4 波以降の 200m/s の遅い波は 津波波面で励起された大気重力波によるもの 電離圏震央付近の TEC 減少は 津波波源で発生した大気変動による電離圏プラズマの磁力線方向の移流が主要因 電離圏震央付近の 4 分周期の TEC 振動は 海面 - 電離圏下部の音波共鳴によるもの

49 2013 年 5 月 20 日のムーア竜巻 19:45UT(14:45 現地時間 ) にオクラホマ州ムーアで発生 改良藤田スケールで最高レベルの EF5( 風速 90m/s 以上に相当 ) 約 40 分間で 約 2km の幅を保ち約 30 km移動 2 つの小学校を含む多数の建物を倒壊させ 24 人の死者と 240 人の負傷者を出した [

50 GPS-TEC と GOES 衛星赤外線雲画像の比較 継続時間が長く 長距離伝搬する同心円状の波動が観測された 振幅は背景 TEC の 1% 程度 [Nishioka et al., GRL, 2013]

51 つくばでの竜巻発生 03:35UT (12:35JST)

52 まとめ 宇宙天気は今 学術的興味から実利用へニーズが移りつつある 2009 年ごろから始まった現在サイクルでは太陽活動は低目推移 但し 過去に例がない レベルではない 一方 今後の推移がこのまま低く推移するかは分からない 例えば近年最大の サイクル級が来たとき 今の社会インフラの耐久性で十分か? 学術と実利用の両輪を進めることでしかこの疑問に答えることはできない 今回の低レベル推移は天が人類に与えた猶予期間かもしれない

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