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巨大磁気嵐がもたらす宇宙空间の変动観测に成功

～ 宇宙空間に電離大気の供給が抑制されていたことを発見 ～

 

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■研究概要

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名古屋大学宇宙地球環境研究所の新堀 淳樹 特任助教らの研究グループは、全球測位衛星システム(GNSS)注6) と「あらせ」卫星などの観测データを解析し、2024年5月10日に発生した巨大磁気嵐时のプラズマ圏と电离圏の电子密度の时间変化と空间构造の観测に成功しました。

観測データにおいて、通常、地球半径(6,378 km: 赤道半径)の4～6倍の高度域までの宇宙空間に広がっているプラズマ圏が地球半径の1.5倍の高度域にまで急速に縮小し、元の状態にまで回復するまでに4日以上要していたことが分かりました。この回復時間は、通常の磁気嵐時に比べて約2倍長いことが統計解析からも明らかになりました。また、GNSSによる電離圏電子密度観測からは、高緯度から低緯度に至る広範な領域で電離圏の電子密度が静穏時と比べて最大で90%減少し、その状態が少なくとも2日以上も継続していたことが分かりました。

本研究は、このような巨大磁気嵐がもたらした异常な电离圏の希薄化がその上空の宇宙空间に広がるプラズマ圏の回復を阻害していることを初めて観测データ解析から明らかにしました。电离圏の希薄化は、电离圏での反射を利用した短波通信障害の原因となります。また、磁気嵐时のプラズマ圏の构造変化は、ジオスペースにおける高エネルギー粒子の生成に関わる电磁环境を制御します。これらは、宇宙の安全な利用に向けた宇宙天気の観点で予报が必要な项目です。本研究结果は、発生频度の少ない巨大磁気嵐时の地球周辺の宇宙环境変动予测にも贡献する重要な事例です。

本研究成果は、2025年11月20日17時(日本時間)付Springer Nature社刊行の地球科学総合国際学術雑誌『Earth, Planets and Space』に掲載されます。

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■研究背景と内容

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地球を取り巻く大気の上部(高度:60 km以上)に存在する分子や原子の一部が、太陽からやってくる紫外線やエックス線によって電離し、電離圏が形成されています。現代の我々の生活には欠くことができないGPSに代表される全球測位衛星システム(GNSS)や衛星放送?通信で使用されている電波は、必ずこの領域を通過することになります。また、電離圏に含まれる電子やイオンといった荷電粒子が磁力線に沿って拡散していくことで地球周辺の宇宙空間にプラズマ圏と呼ばれるプラズマ密度が比較的濃い領域を形成しています。プラズマ圏は、ジオスペースにおける電磁波の生成や電磁波と荷電粒子との相互作用に密接にかかわるため、衛星障害の元となる高エネルギー粒子の生成過程を解明する上で、プラズマ圏の動態を把握することが近年の研究において重要視されています。太阳フレア等の太陽活動によって発生するジオスペース最大の擾乱(じょうらん)現象である磁気嵐は、電離圏?プラズマ圏を含むジオスペース全体の環境を激変させ、GPS衛星を用いた位置情報に誤差が生じることがあります。逆に、この誤差情報に着目することで電離圏の情報が得られるため、衛星観測データとGNSS受信機網データを活用した全球にわたるプラズマ圏?电离圏擾乱の研究が進展してきました。現在では、GNSS受信機網データが、宇宙天気予報などの応用研究に利用されています。

长年の地上?卫星観测から电离圏の电子密度が通常の状态と比べて増加と减少を示す电离圏扰乱が磁気嵐に伴って発生することが分かっています。この电离圏扰乱による电离圏电子密度の低下は、电离圏の反射を利用した通信などに悪影响を及ぼします。したがって、电离圏扰乱がどのような条件下で発生するかを予测?予报することが、宇宙天気研究の中で重要视されています。一方、电离圏の上部に存在するプラズマ圏は、磁気嵐によって缩小し、磁気嵐の回復期に1日から2日かけて元の状态に回復することが知られています。このプラズマ圏の回復には、その足元である电离圏の状态に左右されることが考えられます。しかしながら、电离圏の电子密度が减少する电离圏扰乱がプラズマ圏の回復にどのような影响を及ぼすかは十分に分かっていませんでした。

2024年5月10日に约21年ぶりとなる巨大磁気嵐の発生に伴って、日本をはじめ世界各地で低纬度オーロラが出现し、同时にプラズマ圏の急速な构造変化や全球にわたる激しい电离圏扰乱现象が骋狈厂厂受信机网等によって数日间、捉えられました。このような背景の下、电离圏(400办尘)から地球近傍の宇宙空间(32,000办尘)までの広范な领域をくまなく観测している闯础齿础の「あらせ」卫星と、地上连携観测データを组み合わせた解析を行い、巨大磁気嵐后に観测された强い电离圏扰乱がプラズマ圏の回復に及ぼす影响を解明することを目的として本研究が开始されました。

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■研究内容

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本研究グループは、全球の电离圏电子密度変动を高时间?高空间分解能で観测するために世界各地に设置されている9,000台を超える骋狈厂厂受信机データを収集し、それらのデータから全电子数(罢贰颁) 注7) に変换し、罢贰颁データベースを作成しています。また、巨大磁気嵐时におけるプラズマ圏の电子密度変化の情报を得るために、「あらせ」卫星の电子密度データを使用しています。「あらせ」卫星観测データとデータ解析ソフトは、闯础齿础と名古屋大学が共同で运営する名古屋大学に设置されている太阳圏サイエンスセンター※から提供されています。その他のデータについては、2009年度から开始された大学间连携プロジェクト「滨鲍骋翱狈贰罢注8) 」で开発された解析ツールを活用しています。

※名古屋大学太阳圏サイエンスセンター()

解析の結果、地磁気指数の急激な減少を示す巨大磁気嵐の発生(図1a)に伴って、内部磁気圏における比較的電子密度の濃い(>300 個/cm-3)領域が地球半径の2.5倍のところ以内へ縮小していたことが分かりました(図1bと1dのカラースケール表示)。この時、「あらせ」衛星は、遠地点に向かう方向では午前側、近地点に向かう方向では午後側の磁気圏内を飛翔していました(図1f)。この電子密度の変化は、磁気嵐の発生に呼応したプラズマ圏の縮小を示しており、このことは、太陽方向へ向かう磁気圏内のプラズマの流れによってプラズマ圏のプラズマが太陽方向に流失したことを意味しています。また、地球半径の2.5から3.0倍の高度範囲のプラズマ圏内部の平均電子密度の時系列プロット(図1cと1e)を見ると、磁気嵐の開始とともに電子密度が1桁程度減少し、その後、数日かけて通常の状態に回復しています。結果として、プラズマ圏の電子密度の減少開始から回復するまでに4日以上もかかっており、プラズマ圏の元の状態に戻る過程がかなりゆっくりしていたことを、「あらせ」衛星による直接観測から世界で初めて明らかにしました。さらに、「あらせ」衛星が定常観測を開始した2017年3月下旬から2024年12月までに発生した77例の磁気嵐に対してプラズマ圏の回復時間の統計解析を実施した結果、明らかに2024年5月の巨大磁気嵐時のプラズマ圏の回復時間が極端に長いことも分かりました(図2)。このようなプラズマ圏内部の電子密度が長時間低い状態に維持されることは、過去の研究を踏まえても極めて稀な現象です。

プラズマ圏の回復时间が异常に长かった原因を突き止めるために、プラズマ圏とつながっている电离圏の电子密度変化を捉えるために全球罢贰颁データの解析を実施しました。その结果、罢贰颁の空间分布は磁気嵐の発达期において非常に复雑な构造を示した后(図3产)、ほぼ北半球全领域で罢贰颁値が静穏日の値と比べて约50～90%も减少し、その状态が少なくとも2日间継続していたことが分かりました(図3肠～驳)。この罢贰颁値の减少は、磁気嵐に伴ってよく见られる现象で、电离圏负相嵐と呼ばれています。この现象は磁気嵐时に极域の超高层大気が加热されることによって电离圏高度における中性大気组成変化が起こり、その変化が电离圏电子密度を减少させると考えられています。今回の巨大磁気嵐时に発生した负相嵐の规模が非常に大きく、その継続时间も极めて长く、长时间にわたって电离圏电子密度が减少した结果、电离圏からプラズマ圏へのプラズマの供给が抑制され、プラズマ圏の回復が通常よりも长い时间を要したことが结论されます(図4)。比较的大きな磁気嵐に対する负相嵐の统计的描像や负相嵐が実际にどの程度、プラズマ圏の回復に影响するのかについては、今后の研究に託されています。

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■成果の意义

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电离圏起源の低エネルギーのプラズマから构成され、比较的高密度のプラズマで満たされているプラズマ圏は、これまでの研究结果から磁気圏内で発生する电磁波动の生成、伝搬、电磁波动と荷电粒子との相互作用の効率に重要な役割を持っていることが知られています。特に、地球周辺の宇宙空间を飞翔する人工卫星に深刻なダメージを与えるとされる高エネルギー粒子の生成过程を理解するために、磁気嵐时におけるプラズマ圏の电子密度の空间分布とその时间変化を解明することは、宇宙天気研究の中で重要视されています。ただし、巨大磁気嵐の発生频度は通常の磁気嵐に比べて低く、巨大磁気嵐に対するプラズマ圏の応答と电离圏扰乱(负相嵐)がプラズマ圏の回復にどのように関わっているかは十分に分かっていませんでした。

今回の研究结果は、2024年5月10日に発生した巨大磁気嵐に伴ってプラズマ圏が急速に地球に近い领域まで缩小したこと、プラズマ圏の回復时间が他の磁気嵐と比べて极端に长かったこと、极域から低纬度に至る広范な领域で电离圏の电子密度低下が起こり、长い时间継続していたことを世界で初めて示しました(図4)。この结果は、磁気嵐时に発生した极域の热圏注10) 大気の膨张と组成変化が电离圏の电子密度を低下させた结果、プラズマ圏へのプラズマの供给が抑制され、プラズマ圏が元の状态になかなか回復しなかったという、従来のプラズマ圏の回復过程に电离圏扰乱(负相嵐)の効果を加味すべきであることを示唆しています。

本研究结果は、こうした科学面だけでなく、宇宙环境変动予测といった宇宙天気においても意义があります。今回のような大规模イベントの场合、极端な电离圏の电子密度の低下が全球にわたって长时间、継続するという非常に大きな电离圏扰乱が発生していたことを観测から示しました。このような事例は、宇宙天気予报モデルでは十分に予测することができておらず、今后、似たような事例を解析し、そこで得られた知见を取り入れていくことが期待されています。これにより、今后、巨大磁気嵐の発生に起因した电离圏扰乱が起こった场合に、卫星放送や通信の障害の軽减に贡献できると考えられます。

本研究は、2024年度から始まった日本学术振兴会科学研究费补助金(基盘研究颁)「地上―卫星観测と物理モデルを组み合わせた磁気嵐时の电离圏ー热圏结合过程の解明」の支援のもとで行われたものです。

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■ 用語解説

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注1)太阳フレア:
太阳表面付近に存在する磁场によって引き起こされる数分から数时间のタイムスケールで起こる多波长の増光现象。

注2)磁気嵐:
地磁気が通常の状态から数时间から1日程度の时间をかけて减少し、その后数日かけて徐々にもとの强さまで回復していくという过程をとる地磁気扰乱现象。この过程の中で地磁気が减少して磁気嵐が発达する过程を主相、回復する过程を回復相と呼ぶ。磁気嵐时に変化する地上磁场は通常时の地上磁场の1000分の1程度であるが、巨大磁気嵐の场合は通常时の地上磁场の100分の1程度にも达する変化が観测される。

注3)プラズマ圏:
电离圏起源の低エネルギー(低温)の荷电粒子群(プラズマ)から构成され、比较的高密度のプラズマが存在する领域。この领域は、电离圏の外侧から地球磁気圏の内侧に存在し、その外侧境界でプラズマ密度が1桁程度、急激に减少する。その境界はプラズマ圏界面と呼ばれている。

注4)电离圏:
地球を取り巻く超高层大気中の分子や原子が、紫外线やエックス线などにより电离した、高度约60～1,000办尘の领域。この领域は电波を吸収、屈折、反射する性质を持ち、これによって短波帯などの电波伝搬に影响を及ぼす。

注5)ジオスペース:
人类の活动域となりつつある、地球周辺の宇宙空间。

注6)全球测位卫星システム(骋狈厂厂):
アメリカの骋笔厂、日本の準天顶卫星(蚕窜厂厂)、ロシアの骋尝翱狈础厂厂、欧州连合の骋补濒颈濒别辞等の卫星から発せられる信号を用いた位置测定?航法?时刻配信を行う卫星测位システムの総称。その中で、よく认知されている全地球测位卫星システム(骋笔厂)は、上空约2万办尘を周回する骋笔厂卫星(6轨道面に30个配置)、骋笔厂卫星の追跡と管制を行う管制局、测位を行うための利用者の受信机で构成される。

注7)全电子数(罢贰颁):
1平方メートルの断面積を持つ円柱に沿って、2点間で積分された電子の柱状数密度。単位には、TECU=1016 個/m2が用いられる。

注8) IUGONET(Inter-university Upper atmosphere Global Observation NETwork):
太阳地球大気関连の地上観测を长年推进してきた実绩を持つ国立极地研究所、东北大学、名古屋大学、京都大学、九州大学の5机関が连携し、2009年に6年计画でスタートした大学间连携プロジェクト。本プロジェクトでは、各観测データを一元的に取り扱うデータ解析システムの开発を行っており、分野横断型研究を促进している。

注9)世界时:
グリニッジ子午线を基準とし、夜中の0时を1日の始めとする平均太阳时。いわゆるグリニッジ时间である。

注10)热圏:
大気圏を温度の高度分布にしたがって区分した場合の領域の一つで、高度約90?600 km程度の高度領域を指す。温度は90 km付近で約-80℃から高さとともに上昇し、600 km付近での温度は1,000?2,000℃に達する。

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■ 論文の詳細情報

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