電離層嵐
エネルギーを帯びた電子の密度を含む嵐
電離層嵐の際に地球地球空間科学極軌道衛星によって撮影されたオーロラのX線画像

電離層嵐は、太陽から生成された電離層内のエネルギーを与えられた電子の密度が変化する嵐です。[ 1]電離層嵐は地磁気嵐によって引き起こされます。 [2] 電離層嵐は正の嵐と負の嵐に分類され、正の嵐では電子の密度が高く、負の嵐では密度が低くなります。[3]総電子数（TEC）はこれらの密度を測定するために使用され、電離層嵐の強度を記録し比較するためのデータで使用される重要な変数です。

電離層嵐の発生は、太陽風の急激な増加と強く関連しています。太陽風は高エネルギー電子を地球の上層大気に運び、TEC（全電子密度）の上昇に寄与します。[4]大規模な電離層嵐は、オーロラを地球規模で観測可能にします。オーロラは北極圏で最もよく見られますが、大規模な電離層嵐が発生すると、やや低緯度でも観測可能になります。最も激しい電離層嵐は1859年に発生し、「1859年の太陽嵐」または「キャリントン・イベント」と呼ばれています。キャリントン・イベントは、このイベント中に発生した不規則な太陽活動を観測したイギリスの天文学者リチャード・キャリントンにちなんで名付けられました。この嵐の激しさにより、オーロラは低緯度でも観測され、フロリダやカリブ海などの地域でも観測されたと報告されています。電離層嵐は、いつでもどこでも発生する可能性があります。[6]

F領域電離圏嵐とD領域電離圏嵐も、電離圏嵐の主要なカテゴリーと考えられています。F領域嵐は、地球の電離圏に注入された高エネルギー電子の急激な増加によって発生します。F領域は電離圏の最も高い領域です。F1層とF2層で構成され、地表からの距離は約200～500kmです。[7]これらの嵐の持続時間は約1日で、約27.3日ごとに再発します。[6]ほとんどの電離圏異常は、電離圏のF2層とE層で発生します。D領域嵐はF領域嵐の直後に発生し、「嵐後効果」と呼ばれ、F領域嵐の発生後1週間続きます。[8]

歴史的出来事

1859年8月28日のキャリントン事件では、最大の電離層嵐が発生し、鉄道信号や電信線の火災など、様々な場所に甚大な被害をもたらしました。[9]嵐によって生成された高エネルギー電子の密度が、これらの電気過負荷と不足を引き起こしました

過去35年間の嵐の発生は、最大Ap [2]として統合され、電離層嵐発生時の平均的な地磁気活動を記録するものとして測定されています。最大Apカウントが高いほど、地磁気活動レベルは高くなります。地磁気活動におけるApカウントは、0～7が「静穏」、8～15が「不安定」、16～29が「活発」、30～49が「小規模嵐」、50～99が「大規模嵐」、そして100以上が「激しい嵐」と分類されます。[10]過去35年間のApカウントが30～49の小規模嵐は、1999年9月13日（46）、2008年10月11日（34）、2011年3月11日（37）、2012年10月9日（46）、2014年2月19日（43）に発生しました。 50～99 Ap に及ぶ主要な嵐は、2000 年 4 月 6 日 (82)、2000 年 4 月 7 日 (74)、2001 年 4 月 11 日 (85)、2002 年 4 月 18 日 (63)、2002 年 4 月 20 日 (70)、2004 年 1 月 22 日 (64)、2005 年 1 月 18 日 (84)、2010 年 4 月 5 日 (55)、2012 年 3 月 9 日 (87)、2012 年 7 月 15 日 (78)、および 2013 年 6 月 1 日 (58) に発生しました。 100 Ap以上の激しい嵐は、1986年2月8日（202）、1986年2月9日（100）、1989年3月13日（246）、1989年3月14日（158）、1989年11月17日（109）、1990年4月10日（124）、1995年4月7日（100）、2001年3月31日（192）、2001年11月6日（142）、2003年8月18日（108）、2003年10月29日（204）、2003年10月30日（191）、2003年11月20日（150）、2004年7月27日（186）、2004年11月8日（140）、2004年11月10日（161）に発生した。[2]

最近の報告によると、2013年3月と2015年3月の聖パトリックデーの嵐は、F2電離層領域に強い負の位相を引き起こしました。2013年3月と2015年3月の嵐は、6時間以上続く長時間の嵐でもありました。[11] 2015年6月の南半球の冬の嵐は、4時間から6時間とより短く、電離層に正の影響をもたらしました。電離層嵐の発生場所と時間を正確に特定することは困難です。その影響は季節、発生地点の変動、電離層の組成変化、そして重力波と関連した移動性電離層擾乱（TID）によって異なり、場所によって影響も異なります。[11]

電離層嵐の段階

電離圏嵐の発生初期には、電離圏における地磁気擾乱の影響により、嵐は一時的に正極性となる。その後、負極性の嵐となり、電子密度が中和される回復期へと戻る。[12]

正相

電離圏嵐の正相は最初の約24時間続きます。この相では、電離圏、特にF1層やF2層などの高高度層の電子密度が増加します。正相では、電子密度の増加により電離は目立ちにくくなります。 [13]正相の電離圏嵐は持続時間が長く、冬季に多く発生します。[13]大規模な電離圏嵐の正相では、電離圏F領域の高度が上昇し、地磁気極上を太陽と反対方向に広がる巨大な舌状のプラズマ異常が発生します。これは地上レーダー[14]だけでなく、衛星やGPSシステム[15]によって観測できます。 2003年11月20日のスーパーストームのような最大規模の地磁気嵐の場合でも、現代の一般循環モデルは正電離圏異常をシミュレートすることができます。[16]

負相

電離層嵐の負相は、嵐の正相の直後に発生し、正相の電子密度が「静穏時の基準レベルを下回る」まで減少した後、1～2日間続きます。[13]負相は嵐の電子密度を減少させます。また、持続期間が長くなり、夏季に頻繁に発生します。[13]

回復期

電離圏嵐の回復期は、負の段階が終了し、電子密度が中和された後に発生します。嵐後の電子密度が再び安定するまでの正確な時間を計算する手段として、熱圏電離圏一般循環モデル（TIGCM）に基づき、12時間から1日の時間スケールが用いられます。 [17]

電離層への影響

電離圏嵐がF領域、E領域、D領域を含む電離圏の各層に与える影響は、嵐の規模によって異なります。F領域はE領域やD領域と比較して高度が最も高いため、最も影響を受けます。D領域は高度が最も低い領域であり、地磁気擾乱の影響が最も少なくなります。

F領域

F領域は電離層と内部大気の最上層であり、地表から約200km上空にあり、層高度は約300kmに及んでいます。F領域のF2領域（最も高度の高い内部大気層）は、高周波無線通信に必要な臨界周波数と最大使用可能周波数の低下によって影響を受けます。 [12] F領域は、電離層境界における太陽風の摩擦の影響を受け、磁気圏の運動が電離層に侵入したり、電離層から出たりすることで、TECと電子密度を増減させる擾乱が発生します。[18]電離層嵐の間、 F2層でTECと電子密度の「異常な」増減が発生することがより一般的です[19]イオン化密度はF領域でも影響を受け、高度が増加するにつれて減少します。[20]イオン化密度が増加すると原子は電子を失うため、高度が低いほど電子密度が低下します。[21] F1層などのF領域の下層では、イオン化量が多く、電子密度は低くなります。F領域高度の劇的な増加はTECと電子密度の増加を説明しており、数値モデルによっても再現されています。[22]

E地域

E領域は電離圏の中間層で、地表から約100kmの高さにあり、その範囲は上空約100kmに及んでいます。E領域への影響は、主に高緯度地域に起因しており、そこではより激しい地磁気擾乱が発生します。この層における電離は、主にオーロラにおける粒子の降下によって生じます。[23]低緯度地域であるため、F領域と比較して電離密度が高く、電子密度は低くなります。電流伝導率の増加は、E領域の磁場線に沿って走る磁気圏の対流電場によって引き起こされます。 [23]この伝導率の増加は、電離圏嵐の影響によるものでもあります。また、E領域ではプラズマから中性粒子へのエネルギー伝達が最大化され、「摩擦加熱」が促進され、熱圏の熱源として利用されます。[23]

D領域

D領域は電離圏の最下層で、地表から約60kmの高さにあり、その高度は約30～40kmにわたります。D領域の最上部は地表から約90～100kmの高さにあります。電離圏嵐が発生すると、D領域で電子の電離が促進され、昼夜非対称性（DLPT深度[詳細な説明が必要]）が低下します。[24] DLPT深度は、平均昼率から平均夜率を差し引き、それを平均率で割ることによって計算されます。[25] DLPT深度は、D層のApが増加するにつれて減少します

影響

無線通信

電離層嵐が発生すると、通信に大きな障害が発生する可能性があります。中高度および高高度では、[26]無線通信は「無効」と見なされます。[26]これは、太陽風とエネルギー電子の急増により干渉する電離層で電波が観測されるためです。無線通信に関連する障害の影響には、テレビ、ラジオ、コードレス電話などの電波ベースの技術への一時的な信号遮断が含まれる可能性があります。 [27]世界的な影響は様々で、デジタル放送や無線通信技術による情報表示への悪影響により、特定の技術が一時的に使用できなくなる可能性があります

航空機と電気システム

航空機の乗客と乗組員は、海面にいる人々に比べて、電離層嵐の際により多くの放射線を浴びる。飛行高度は通常10km以上であるため、飛行中に電離層嵐が発生すると、航空機に乗っていた人々が生涯のうちに致命的な癌を発症する確率が約0.1％増加する可能性がある。10km以上の高度を飛行中の航空機は、海面にいる場合よりも約300倍多くの電離放射線にさらされる。[28]電離層嵐によって生成されたエネルギー粒子は、エネルギー粒子が半導体デバイスと相互接続してシステム障害を引き起こすシングルイベントエラー（SEE）によって、マイクロ電子回路に損傷や混乱を引き起こす可能性がある。[28]航空機の電気機器の短絡は、航空機乗務員の注意をそらす可能性があり、安全上の危険となる可能性がある。

衛星

衛星の太陽電池は電離層嵐によって損傷または破壊される可能性があり、信号の伝送を妨げる可能性があります

気候

地球に向かう太陽風[29]と、そこから発生する過剰な放射線は、気候への影響は限定的です。太陽風によって放出される放射線は、電離層を含む地球の大気の最上層にのみ到達します。しかしながら、大気の下層に影響を与える可能性があるという報告もあります。2012年3月のアメリカ合衆国における太陽風の増加は、当時発生した熱波と一致していたことが記録されています。[30]高速太陽風流（HSS）によって引き起こされる大洪水と電離層嵐の発生との間の統計的な関連性も報告されています。HSS中のオーロラ電離層へのエネルギー蓄積の増加は、下向きに伝播する大気重力波を生成することが示唆されています。励起された重力波は下層大気に到達し、対流圏の不安定性を引き起こし、過剰な降雨につながります。[31]

GPSおよびGNSSシステム

電離層嵐によって引き起こされる電離層信号の乱れにより、GPSシステムは大きな影響を受けます。20世紀後半から21世紀にかけて、GPS信号は様々な携帯電話に搭載され、発売以来、その利用範囲は大幅に拡大しました。GPSは方向を示すという重要な技術ですが、その影響で方向が分からなくなる可能性があります。また、全地球航法衛星サービス（GNSS）のような方向指示装置は航空機にも使用されています。このシステムは、衛星や太陽電池といったナビゲーションシステムに必要な要素が放射線によって損傷を受ける可能性があります。電離層嵐の発生により航空機がGNSSにアクセスできなくなった場合、航空機のバックアップ手順が利用可能です。[28]

嵐検知技術

1859年のキャリントン・イベントでは、利用できる測定技術が限られていたため、1859年に書かれた新聞記事の記述以外では、影響の全容を正確に記録することはできませんでした。20世紀後半から21世紀初頭にかけて、予測技術が向上しました。この技術により、気象学者は、擾乱が限られた状況下で、24時間前に垂直に返送できる最高周波数[32]を8～13%の精度で検知できるようになりました。1970年代初頭にK. Daviesによって作成されたPropManは、電離層予測コード（IONSTORM）を含むプログラムで、F領域通信周波数が否定される電離層嵐の際に最大使用可能周波数（MUF）を予測します。[33]

参照

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