電離圏領域

電離圏

図1 電離圏の電子密度構造

地球大気の上層は、太陽紫外線やX線の吸収などにより、その一部がイオンと電子に分れた(電離した)状態になっています。 この領域は電離圏と呼ばれます。歴史的には「電離層」と呼ばれてきましたが、近年では「電離圏」と呼ばれることが多くなっています。 電離圏は、高度約60kmから1000km以上にわたって存在し、その高度分布の形からD領域、E領域、F領域といった領域に分けられます(図1)。

これらの領域は、電離源である太陽光の入射強度や背景大気の状態に応じて時間・空間的に変化します。 日本付近では、基本的にどの領域も南にいくほど電子密度が大きくなります。また、1日周期の変動や季節に伴う変動、 約11年周期の太陽活動に伴う変動など、規則的に繰り返される変動があります。こうした周期的な変動に加えて、 不規則な電離圏の乱れも発生します。例えば、大規模な太陽フレアの直後には、D領域の電子密度が異常増大し、 短波帯の通信途絶を引き起こす「デリンジャー現象」が発生します。 磁気圏が乱れたときにはF領域の電子密度が増減する「電離圏嵐」が発生することがあります。 さらに、「スポラディックE層」や「プラズマバブル」など、特定の季節に不規則に発生する局所的な乱れもあります。

電離圏嵐

図2 負相嵐と正相嵐発生時の電離圏の様子

「電離圏嵐」は、電離圏の中で電子が最も多く含まれるF領域において、通常より顕著に電子密度が減少、 或いは増加する現象のことを指します。この現象は、主に磁気圏の乱れが発生した時に、 その影響が背景大気や電場の乱れなど様々な過程を経て電離圏に伝わって起こる事が知られています。

電離圏嵐には、電子密度が減少する場合の「負相嵐」(図2右)と、電子密度が増加する場合の「正相嵐」(図2左)があります。 負相嵐は、一般的に極域の加熱により大気組成が変化し、その大気が全球に循環するために生じます。 一方で、正相嵐は、赤道域に侵入した電場や大気の赤道向きの風の影響で電離圏が厚くなることで起こることが多いです。

負相嵐の発生時には、F領域の臨界周波数が小さくなるため、通常電離圏で反射される電波が周波数によっては反射されなくなります。 正相嵐の発生時には、電離圏を通過する電波の電離圏での遅延量が増大するため、測位誤差が増大する可能性があります。

デリンジャー現象

図3 通常時とデリンジャー現象発生時のイオノグラム

「デリンジャー現象」は、大規模な太陽フレアに伴うX線や紫外線の急増により、 高度60-90km程度のD領域が異常電離して電子密度が高くなり、通常はD領域を通過する短波帯の電波が吸収されてしまう現象です。 「突発性電離圏擾乱」とも呼ばれます。図3はイオノゾンデによる電離圏観測で、左が通常のイオノグラム、 右がデリンジャー現象発生時のイオノグラムです。 強いデリンジャー現象が発生すると、短波帯の通信途絶(ブラックアウト・通信が全く出来なくなる)が発生し、 まれに数時間継続する場合もあります。

スポラディックE層

図4 通常時とスポラディックE層発生時のイオノグラム

「スポラディックE層」は、高度約100kmに局所的かつ突発的に発生する現象で「Eスポ」とも略称されます。 スポラディックというのは、突発的なという意味です。 日本付近では、春から夏にかけて昼や夕方に強い(電子密度の高い)スポラディックE層が発生する傾向があります。 強いスポラディックE層が発生すると、通常は電離圏で反射されないFM放送などのVHF帯の電波が反射されて異常伝搬し、 混信が発生することがあります。

図4は、イオノゾンデによる電離圏観測で、左は通常のイオノグラム、右はスポラディックE層が発達したときのイオノグラムです。 スポラディックE層が発生すると、E領域の臨界周波数が通常に比べて大きく上昇していることがわかります。 スポラディックE層の発生には、高度100km付近における大気の風のパターンが重要な働きをしていることがわかっています。 ラジオ放送愛好家やアマチュア無線家からは、通常不可能な遠距離に放送や通信を可能としてくれる現象として歓迎される存在でもあります。

プラズマバブル

図5 プラズマバブルの計算機シミュレーション結果(Yokoyama et al., J. Geophys. Res., 2014より)

「プラズマバブル」とは、赤道域や低緯度の電離圏で局所的に電離圏の大気密度が低くなる、いわば「電離圏の泡」のような領域です。 図5は、高度方向・水平方向での電離圏の大気密度の分布を色で示しており、 局所的に電離圏の大気密度が低くなっているプラズマバブルの様子がうかがええます。

プラズマバブルの内部や周辺では電子密度の変化が大きいため、プラズマバブル付近を通過する衛星電波は乱され、 衛星通信障害やGPS測位精度低下の原因となります。ひどい時には衛星電波を受信できなくなる場合もあり、 航空機や船舶等の運用に深刻な影響を及ぼすことから、その発生の現況把握や予測が強く望まれています。

プラズマバブルは、多くの場合、日没時刻頃、赤道域で発生し、南北に伸びた構造を保ちながら、 背景の大気の風の影響で東に伝搬します。日本の緯度にまで到達することは稀ですが、 太陽活動が活発な時や、磁気嵐が発生した時には大きく成長し、日本上空まで及ぶこともあります。プラズマバブルの発生メカニズムは、プラズマ不安定性であることはわかっていますが、いつ・どこでプラズマバブルが発生するかを予測することは難しく、宇宙天気予報の課題となっています。