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あかりやなぎしま
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1 17. 電離圏がみだれるのはなぜ? 磁気嵐のときに宇宙の天気が変わるのはオーロラが輝く高緯度地方だけではありません日本の上空でも電離圏の電子密度が何時間もかけていつもよりも大きく増えたり逆に大きく減ったりする電離圏嵐と呼ばれる現象が発生することがあります電離圏嵐には通常よりも電子密度が増大する正相 ( ポジティブストーム ) と減少する負相 ( ネガティブストーム ) とがあります電離圏嵐と磁気嵐の関係は単純ではありませんオーロラ活動が活発化することによって極域の電離圏が変化し緯度の低いところにも伝わってくることなどが重要な要因として考えられていますちなみにアマチュア無線やテレビラジオの通信が不安定になる原因として知られているスポラディック E と呼ばれる電離圏 E 領域の現象がありますスポラディック E というのは突発的に E 領域の電子密度が増加するという意味です夏に発生することが多く日本での無線やテレビラジオ放送にも影響を与えていますスポラディック E の発生原因もまだわかっていません日本では情報通信研究機構などで研究が進められています

2 18. どうして短波通信が突然途絶えるの? 電離圏の変動は電離圏嵐だけではありませんもっと直接的に太陽フレアに関連して電離圏の状態が大きく変化することがあります電離圏は中性大気が電離してできているので電離を引きおこす紫外線や X 線の強さが変わると変化してしまうのです大きな太陽フレアで強い X 線が地球に降り注ぐと太陽を向いた面つまり昼の時間帯にある地域では急激に電離圏の電離が進みます電離圏の一番低い高度の電子密度が大きくふえると短波は電離圏で吸収されて反射できなくなるため短波通信ができなくなるデリンジャー現象が発生しますデリンジャー現象は昼しかおきませんが極地方では昼夜に関係なく同じような現象がおきることがあります太陽フレアのときに発生する太陽高エネルギー粒子 ( 第 16 問参照 ) が極地方の電離圏に集中して飛び込んでくることが原因で発生し極冠吸収と呼ばれています極冠吸収は特に極地方を飛ぶ航空機の通信に深刻な影響を及ぼします極冠吸収の影響が深刻な場合はふだんは高緯度地方の航路を飛んでいる飛行機が影響を避けるために安全に通信できる低緯度の航路に変更することもあるのです電離圏電離圏受信アンテナ送信アンテナ

3 19. 太陽から電波がやってくるのはなぜ? 太陽からは太陽風や CME のようにプラズマが噴き出していることはわかりましたが目には見えない電波も大量に出ていますなぜ太陽から電波がやってくるのでしょうかひとつは磁場の存在です強い磁場のまわりにとらわれている電子からは電波が放射されているのです波長 10.7 cm の太陽電波の強度は太陽からの紫外線量とよく相関することが知られていて F10.7 指数として太陽黒点とともに太陽活動の指標にもなっていますまた太陽フレアや CME に伴って電波バーストと呼ばれる電波の強度が増大する現象がおこりますこういった電波はフレアに伴う粒子加速領域や CME に伴う衝撃波付近でプラズマの不安定性によって発生していると考えられておりフレアや CME のメカニズムの研究には欠かせないものとなっていますまた電波は光の速さで進むため宇宙嵐がおきたときに真っ先に地球に伝わってきますそのため電波バーストは磁気嵐や電離圏嵐の前兆現象として人工衛星観測がなかった時代から活用されてきましたまた光の観測と違って太陽電波観測は天候に左右されないという利点もあります日本では情報通信研究機構や国立天文台によって太陽電波の連続観測が行われています

4 太陽電波バーストはそのエネルギーが少ないので通信や電波伝搬に対して直接的な影響は少ないと考えられてきましたしかし 2006 年 12 月 6 日におきた太陽フレアに伴ってかつてない強度の太陽電波バーストが発生しその電波が原因で GPS 衛星の電波が正しく受信できないという障害が報告されましたそのため太陽電波バーストを宇宙嵐の前兆現象として監視するだけではなく電波バーストが通信に及ぼす影響についての関心も高まってきています

5 20. 地上に強い電流が流れることがあるのはなぜ? 地球は大きな導電体ですのでオーロラの電流によって地上の磁場が激しく時間変化すると電磁誘導の法則によって地上には起電力が発生して誘導電流が流れると考えられます美しく輝くオーロラに私たちはただただあこがれてしまいますが決していいことばかりとは限りませんオーロラの電力はすさまじいもので世界中の原子力発電所に匹敵する電力パワーを持っていますこのためオーロラ活動が見られる地域では地磁気が激しく変化し地上の送電線やパイプラインに強力な誘導電流が流れることで制御システムの障害が引きおこされたり金属パイプの腐食が促進されることがありますこのような現象は地磁気誘導電流英語で GIC (Geomagnetically Induced Current) と呼ばれています高速の CME が作り出す太陽風の衝撃波が地球磁気圏を急激に圧縮する急始現象英語で SC(Sudden

6 Commencement) によっても世界中で同時に大きな GIC が引きおこされることもよく知られています実際強力な SC が発生したり大きな磁気嵐が発生したときには日本でも GIC が観測されます北海道の女満別にある地磁気観測所の観測によると日本では最大で 10 A 程度の誘導電流が観測されます

7 21. 宇宙嵐になったらどうしたらいいの? 台風が来たときには安全のためむやみに外を出歩かないことが一番ですでは宇宙嵐が来たら私たちはどうしたらよいのでしょうか地上で普通に生活している分には全く気にする必要はありません台風と同じように宇宙嵐の発生は人間の力で食い止められるものではありません宇宙嵐といってもいままで見てきたように様々な種類があります太陽電波バーストの地球への影響は太陽フレアの 8 分後から現れますが地磁気誘導電流の影響は太陽フレアがおきてから数日後にコロナ質量放出や衝撃波が地球を包み込んで磁気嵐が発生しているときに現れます台風で大量の雨が降った結果土砂崩れが発生するように宇宙嵐のどういった現象がどういった順番でおきるかまたどのようにお互いが関連しているかといった因果関係を知っておくことが大切です宇宙嵐に対して宇宙を利用する専門家たちにできることはその被害をできるだけ小さくすることですもし宇宙嵐がやってくることが前もってわかっていれば送電網が壊れないように運用したり放射線の影響を受けやすい人工衛星の電子機器の中でも特に重要な部分については電力を落とすなどの対応をとって被害を未然に防ぐことができるのですそのためにいつどのくらい大きな宇宙嵐が発生するかを教えてくれる宇宙天気予報が役に立ちます 2008 年宇宙ステーションではトイレが壊れ新しいトイレと交換したそうですトイレをロケットで打ち上げて交換するくらいで驚いてはいけません宇宙ステーション自体が組み立て式で完成するとサッカー場くらいの大きさになります日本の実験棟きぼうがスペースシャトルで運ばれてドッキングしたのも 2008 年の大きな出来事でしたちなみにトイレの故障の原因は宇宙嵐とは特に関係がなかったようです

8 22. 宇宙飛行士はなぜ被ばくしやすいの? ジオスペースは目に見えない放射線であふれていますが人体への被ばくの影響は大丈夫なのでしょうか? 高いエネルギーの宇宙線は宇宙船も宇宙服も通り越して人体にまで達するため宇宙飛行士を被ばくさせてしまいます実際にスペースシャトルの宇宙飛行士は宇宙放射線の量が大きくなり危険な状態が予想される場合には船外活動を中止したり放射線から守られる特別の部屋で待機します被ばく量は放射線量と滞在時間のかけ算になりますたとえば宇宙に滞在している時間が 5 分間だけという宇宙旅行の弾道飛行プランでは短い時間しか放射線の影響を受けないので比較的安全ですただし運悪く大きな太陽フレアがおこって放射線が 1 万倍の強さになると 1 ヶ月分滞在したのと同じ被ばく量になってしまいます地球の大気と磁場は宇宙放射線が地上に直接来ないように防いでいますこのため宇宙放射線の量も地上から上空に向かうほど大きくなりますジェット機の乗務員で原子力発電所の作業者とだいたい同じくらいの被ばく量スペースシャトルに 1 週間いると地上生活の 2 年分に相当する被ばく量といわれています地磁気のバリアを超えて月や火星に行くときにはさらに大量の宇宙放射線を浴びることになります

9 23. 飛行機に乗っても被ばくするの? 宇宙放射線による被ばくは宇宙飛行士だけではありません高い高度を飛行する飛行機に乗っても宇宙放射線によって被ばくしますただし大気に守られている分被ばく量は宇宙飛行士よりもずいぶん少なくなります実際宇宙放射線被ばくによる飛行機の乗務員の健康への影響が心配され 2005 年 9 月には乗務員に対する放射線被ばく量の基準がつくられました宇宙放射線の強度は高度が高くなるほど強くなります飛行機が飛ぶ高度 10 km では地上の約 100 倍の強さです日本からヨーロッパへ飛行機で一回往復すると 0.1 から 0.2 msv ほど被ばくします普段の生活では年間 2.4 msv ほどの放射線を自然界から受けていますからこれが何 % 増える程度ですただし太陽フレアが発生すると数時間のうちに被ばく量が大きく増加することがありますその被ばく線量は最大級のものになると飛行機の乗務員が 1 年間に許容される被ばく線量に匹敵します日本における乗務員の被ばく管理目標値は 1 年間に 5 msv ですが太陽フレアの影響をのぞいた場合に飛行機に乗ったときに自分がどれくらい放射線を浴びたかは日本の放射

10 線医学研究所で開発されている JISCARD というソフトウェアで計算できます測定データの存在する 1940 年代以降では 1956 年 2 月 23 日の GLE ( 第 16 問参照 ) が過去最大の太陽放射線を地球にもたらしたと推定されていますこのときアメリカとヨーロッパの間の飛行機で受けた放射線量の最大値は 4.5 msv と見積もられています GLE は平均すると 1 年に 1 回くらいおきるめずらしいイベントですまた 1 回の飛行で 1 msv を超えるような被ばくを受け得るような GLE は上の 1956 年のイベントの後はおきていません GLE の発生が分かった時点で飛行機の太陽放射線被ばくの影響を抑えるための対応ができるような宇宙天気予報の研究が進められています

11 24. 宇宙の放射線で人工衛星はこわれないの? ジオスペースに存在するエネルギーの高い粒子は人工衛星に様々な影響を引きおこします放射線帯やオーロラの電子が人工衛星にぶつかると衛星に帯電をおこしてしまいます衛星の帯電がおきると衛星の場所によっては数百 V から千 V という大きな電圧が生じ放電によって火花がでますこのような事故はたびたびおこっており 2003 年 10 月に発生した地球観測衛星みどり II の事故もこれが原因と考えられているそうです ( 口絵参照 ) ちなみに宇宙ステーションがドッキングする際にも同じ原理で火花が散るそうです太陽プロトンなどのエネルギーの高い粒子が人工衛星のコンピューターにぶつかるとビット反転とよばれる現象がおこりますビット反転がおきると衛星はコンピューターからのにせの信号をうけて誤作動をおこしてしまいますこのため太陽プロトンイベントが発生した場合には人工衛星が誤作動することもあるのですまた人工衛星のエネルギー源として使われている太陽電池パネルは放射線を浴びると劣化してしまいます長期間運用される衛星は放射線帯や太陽プロトンの影響を受けて太陽電池の効率が下がってしまい衛星の活動に必要な電力を十分に供給することができなくなりますこのように宇宙放射線は人工衛星の運用にとってやっかいものですしかし事前にいつ宇宙放射線が増加するかがわかっていればたとえば衛星の電源を切るといった対策を講じることによって衛星全体に生じる被害を回避することも可能ですそのため太陽プロトンや放射線帯粒子変動の予報を目指して世界各国で研究が進められています

12 25. 大気の摩擦で衛星が落ちるのはなぜ? 衛星が飛ぶ地上から高度 400 km の間の大気はとても薄いため衛星が受ける摩擦はほとんどありませんしかし宇宙嵐のときには大気が加熱されふだんより高い高度でも大気の密度が濃くなりますこのため衛星が飛んでいる高度でも摩擦が大きくなります摩擦によって衛星の姿勢が大きく変化すると衛星の太陽電池に太陽の光が十分にあたらないこともおこります大気の摩擦がなければ重力と遠心力とのつりあいで人工衛星は同じところを回り続けるはずですが摩擦が増えると衛星の軌道は下がって落ちてきます高度が低いほど大気の密度が高くなりますので摩擦がさらに増加しついには摩擦熱によって衛星が燃えてしまうこともあるのです日本の X 線天文衛星あすかが 2000 年 7 月の大磁気嵐 (1789 年 7 月 14 日のフランス革命の引き金となったバスチーユ襲撃事件と同じ日付であったことからバスチーユイベントと呼ばれています ) のときに姿勢が不安定となり翌年の 3 月に大気に落下しましたこれは大磁気嵐に伴って大気が急激に膨張したためにあすかと大気との摩擦が予想外に強くなったことと関係があると考えられています

13 26. カーナビが使えなくなるのはなぜ? 電離圏嵐は通信や電波伝搬 GPS システムなどに影響を及ぼします GPS では複数の衛星からの電波の到来時間の差を使って位置を決定しますが電離圏嵐に伴って電離圏の電子密度が大きく変化すると位置の測定誤差が大きくなりますまた電離圏中でプラズマの泡構造 ( プラズマバブルと呼ばれます ) が発生したときにも電子密度が変化するために GPS の測定に影響がでます GPS はカーナビや航空機の航法に欠かせない技術となっていて位置の誤差は大きな問題となりますしたがって電離圏嵐がいつどこで発生しそのときの電子密度の変化量がどのくらいかを予報する研究が重要となります (*) またデリンジャー現象が発生したときには電離圏の D 領域 ( 高度 km) で短波帯の電波が吸収されるために電離圏 E 領域 ( 高度 km) や F 領域 ( 高度 km) を使った通信もできなくなるのです一方第 18 問でも述べたように極冠吸収がおこったときにもデリンジャー現象と同様の通信障害が発生します日本からヨーロッパに向かう航空機は高緯度地域を通過することが多く極冠吸収は大きな問題となっています大規模な極冠吸収がおきると飛行機の通信を確保するために航路を低緯度側に変更することも行われています (*) カーナビは GPS の情報以外にも地上の基地局の情報などを使って位置をわりだしています

14 27. テレビの衛星中継が途切れるのはなぜ? 現代生活には人工衛星が大きな役割を果たしています衛星放送や衛星通信また気象衛星の情報などは私たちの生活に密接に関わっていますそのため人工衛星に障害がおきると私たちの生活に大きな影響が及びます人工衛星にとって怖いのは電子や陽子による衛星の帯電や高エネルギーの粒子による衛星のコンピューターの誤作動ですこれまでにも放射線帯の電子や太陽からの陽子が増えたときに人工衛星からの通信が途絶した事例が報告されていますたとえば静止軌道の放射線帯の電子が急増した 1994 年 2 月 22 日には何十分にわたってリレハンメルオリンピックの衛星放送が中断しましたまた 2010 年 4 月におきた宇宙嵐のときにも静止軌道上の通信衛星が機能障害をおこしてついには漂流を始めてしまいました静止軌道上の通信衛星はテレビの衛星中継や国際電話各種通信などに広く用いられているのでその誤作動や故障は私たちの身近な生活にもいろいろと影響を及ぼします

15 28. オーロラがおきると停電することがあるのはなぜ? 現在の私達の生活はあらゆる面で電力に依存しています 1989 年 3 月 13 日の真夜中カナダのケベック州では大磁気嵐や激しいオーロラ活動の影響でハイドロケベック社の電力系のすべてが停止しました停電は 9 時間も続きのべ 600 万人に影響が出ましたその原因は地磁気誘導電流 ( 第 20 問参照 ) によって送電網の変圧器が壊れたためでした現在のアメリカの電力システムにおいて過去最大級の磁気嵐が再び発生した場合には非常に大規模な停電がおきて深刻な災害に発展することも予想されています NASA や NOAA( 米国海洋大気局 ) ではこのような磁気嵐に伴う事故を未然に防ぐための宇宙天気予報研究が進んでいます日本は磁気緯度が低いため地磁気誘導電流による大規模な停電などがおきる可能性は低いと考えられています地磁気誘導電流は海底ケーブルやパイプラインにも影響があることが知られておりロシアやカナダなどの高緯度の国々では電車の信号の誤動作や通信障害を引きおこして電車の運行に影響を及ぼすといわれています巨大磁気嵐中の 1986 年 2 月 8 日にはカナディアンロッキーで鉄道史上最悪の正面衝突事故が発生し 23 人の死者と多数の負傷者が出ましたこの事故の原因の可能性としてもオーロラと磁気嵐が考えられています

16 29. ハトやイルカが迷子になるのはなぜ? 磁気嵐がおきているときには磁気圏の中に地球を取り囲むように環状に強い電流が流れていますこの電流は環電流と呼ばれており最大級の磁気嵐になると地上の磁場強度を 1% ほど弱めます ( 第 12 問参照 ) 逆にこのことを利用すれば地上の磁場観測から宇宙嵐の発生を知ることができます京都大学が公開している Dst 指数も環電流を測定するために低緯度域に配置した高感度の磁力計のデータを使って計算されたものですハトやイルカなどの動物は地球の磁場を敏感に感じることができて磁場を利用して長距離にわたる行動針路を決めているのではないかといわれていますこういった動物は 1% 程度の磁場の変化にも敏感で磁気嵐によって地上の磁場が変化してしまうと針路を見誤ってしまうようです実際ある年に行われた伝書ハトレースのときに磁気嵐が発生し多くのハトが迷子になってしまって戻ってこなかったという記録があります原始的なハトのレースを行う前にハイテクな宇宙天気予報を確認する必要があるなんてとても面白いですね

17 30. ブラジル上空には宇宙放射線が集中している? 地磁気は地球の内側でおきている複雑な発電作用 ( ダイナモと呼ばれます ) で作られています地磁気は赤道でもっとも弱く極に行くほど強くなりますが同じ緯度であっても地磁気の強い場所や弱い場所がありますリオのカーニバルでも有名なブラジルの近くでは現在世界中で地磁気の強さが一番弱くなっていて南大西洋磁気異常領域 ( またはブラジル磁気異常領域地磁気ホール ) と呼ばれていますこの場所の磁場強度は日本の磁場強度の約半分になっていますこのように地磁気の弱い場所では放射線帯の粒子を跳ね返す地磁気バリアの力も弱いのでたくさんの放射線帯の粒子が他の場所よりも低い高度まで降り注いできていますこうしてブラジル上空では電離圏高度を飛んでいる人工衛星の半導体メモリーは強い放射線帯粒子の影響を受けて誤作動することが多くなりますそのため人工衛星がブラジル上空を通過する

18 ときには放射線帯の粒子から計器を守るために電源を切ることもあるのです地磁気の強い場所や弱い場所の分布はゆっくりと変化しています実際に磁気異常領域の場所は 1 年間に西方に 0.28 度北方に 0.08 度ずつ動いていますまた過去数百年の記録によると地磁気の強さは地球規模で少しずつ弱くなっています地磁気が全体的に弱まると宇宙放射線の量もそれだけ増えることになります一方地磁気が弱くなると現在は極地方で輝いているオーロラが遠い将来には日本のような低緯度でも見えるようになることも予想されています

スライド 1

スライド 1 電子航法と宇宙天気情報通信研究機構電磁波計測研究所宇宙環境インフォマティクス研究室石井守 1 Contents 宇宙天気とは近年の宇宙天気の概況 : サイクル 24 について近年の宇宙天気に関連する報道と実際の宇宙天気現象 NICT で提供しているサービス 2 What is Space Weather? 宇宙天気とは 3 4 映画 : ノウイング (2009 年米国 ) ある日小学生ケレイブは

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