磁気嵐

地磁気嵐は、磁気嵐とも呼ばれ、太陽風の衝撃波によって引き起こされる地球の磁気圏の一時的な乱れです。

磁気嵐を引き起こす擾乱は、太陽コロナ質量放出（CME）か、（それほど深刻ではないが）コロナホールから発生する太陽風の高速流である共回転相互作用領域（CIR）である可能性がある。^[1]磁気嵐の頻度は、太陽黒点周期に応じて増減する。太陽活動極大期には、磁気嵐がより頻繁に発生し、その大部分はCMEによって引き起こされる。

太陽風圧力の増大により、まず磁気圏が圧縮されます。太陽風の磁場は地球の磁場と相互作用し、磁気圏に増加するエネルギーを伝達します。両方の相互作用により、磁気圏内のプラズマの動きが増加し (磁気圏内の電界の増加によって駆動)、磁気圏と電離層の電流が増加します。磁気嵐の主要段階では、磁気圏内の電流が磁力を生み出し、磁気圏と太陽風の境界を押し広げます。

いくつかの宇宙天気現象は、地磁気嵐と関連する傾向があります。これには、太陽高エネルギー粒子 (SEP) イベント、地磁気誘導電流(GIC)、電波やレーダーのシンチレーションを引き起こす電離層嵐や擾乱、磁気コンパスによる航行の妨害、通常よりもはるかに低い磁気緯度でのオーロラ現象などが含まれます。

記録上最大の磁気嵐は1859年9月のカリントン事件で、当時構築されたばかりの米国の電信ネットワークの一部が機能停止し、火災が発生し、電信オペレーターが感電した。^[2] 1989年には、磁気嵐によって地中電流が発生し、ケベック州のほとんどの地域で電力供給が混乱し^[3]、テキサス州南部までオーロラが発生した。^[4]

意味

磁気嵐は、Dst ^[6] (擾乱 – 嵐時間) 指数の変化によって定義されます^[5]。Dst 指数は、いくつかの磁力計ステーションからの測定に基づいて、磁気赤道における地球の磁場の水平成分の地球全体の平均変化を推定します。Dst は 1 時間に 1 回計算され、ほぼリアルタイムで報告されます^{[7] 。静穏時には、Dst は +20 から -20}ナノテスラ(nT)の間です。 ^[^要出典^]

磁気嵐には、初期、主、回復の 3 つの段階があります。初期段階は、Dst (またはその 1 分間成分 SYM-H) が数十分で 20 ～ 50 nT 増加するという特徴があります。初期段階は、嵐の突然の開始 (SSC) とも呼ばれます。ただし、すべての磁気嵐に初期段階があるわけではなく、Dst または SYM-H の突然の増加の後に必ず磁気嵐が発生するわけではありません。磁気嵐の主段階は、Dst が -50 nT 未満に減少することで定義されます。嵐を定義するために -50 nT を選択することは、いくぶん恣意的です。嵐中の最小値は -50 から約 -600 nT の間になります。主段階の継続時間は通常 2 ～ 8 時間です。回復段階は、Dst が最小値から静穏時の値に変化するときです。回復段階は、最短で 8 時間、最長で 7 日間続くことがあります。^[5]

磁気嵐の規模は、中程度（−50 nT > Dstの最小値 > −100 nT）、強力（−100 nT > Dstの最小値 > −250 nT）、またはスーパーストーム（Dstの最小値 < −250 nT）に分類されます。^[8]

強度の測定

地磁気嵐の強さは、以下を含むいくつかの方法で報告されます。

K指数
A指数
アメリカ海洋大気庁が使用するGスケール。嵐をG1からG5（つまり、G1、G2、G3、G4、G5の順）で評価し、G1は最も弱い嵐の分類（Kp値の5に相当）で、G5は最も強い嵐の分類（Kp値の9に相当）である。^[9]

理論の歴史

1930年、シドニー・チャップマンとヴィンチェンツォ・CA・フェラーロは、この現象を説明しようとした論文「磁気嵐の新理論」を執筆した。 ^{[10]彼らは、}太陽が太陽フレアを放出するたびに、現在ではコロナ質量放出として知られているプラズマ雲も放出されると主張した。彼らは、このプラズマは113日以内に地球に到達するような速度で移動すると仮定したが、現在ではこの旅には1～5日かかることが分かっている。彼らは、雲が地球の磁場を圧縮し、地球表面の磁場を増大させると書いている。^[11]チャップマンとフェラーロの研究は、とりわけクリスチャン・ビルケランドの研究を参考にしたものである。ビルケランドは、当時発見されたばかりのブラウン管を使用して、光線が磁気球の極に向かって偏向することを示した。彼は、同様の現象がオーロラの原因であると理論づけ、極地でより頻繁に発生する理由を説明した。

発生事例

地磁気嵐の影響に関する最初の科学的観測は19世紀初頭に行われました。1806年5月から1807年6月にかけて、アレクサンダー・フォン・フンボルトがベルリンで磁気コンパスの方位を記録しました。1806年12月21日、彼は明るいオーロラ現象の際にコンパスが不安定になっていることに気づきました。^[12]

1859年9月1日から2日にかけて、史上最大の磁気嵐が発生した。1859年8月28日から9月2日まで、太陽上で多数の黒点と太陽フレアが観測され、最大のフレアは9月1日に発生した。これは1859年の太陽嵐、またはカリントン事象と呼ばれている。太陽から大規模なコロナ質量放出が放出され、通常は3日から4日かかる旅を18時間以内に地球に到達したと推測できる。コラバ天文台の記録によると、水平磁場は1600nT減少した。Dstは約-1760nTであったと推定されている。^[13] 米国とヨーロッパの両方で電信線で誘導電圧の上昇（ emf）が発生し、場合によっては電信オペレーターにショックを与えたり、火災を引き起こしたりした。オーロラはハワイ、メキシコ、キューバ、イタリアの南方でも見られ、通常は極地でしか見られない現象である。氷床コアは、同様の強度の出来事が平均して約 500 年に 1 回の割合で繰り返されるという証拠を示しています。

1859年以降、それほど深刻ではない嵐が発生しており、特に1882年11月17日のオーロラと1921年5月の磁気嵐では電信サービスの混乱と火災の発生が見られ、1960年には広範囲にわたるラジオの混乱が報告された。^[14]

1972年8月初旬、一連のフレアと太陽嵐がピークを迎え、X20前後と推定されるフレアは史上最速のCME通過を引き起こし、激しい地磁気嵐と陽子嵐により地上の電気・通信ネットワークが混乱し、衛星も停止した（少なくとも1つは永久に機能停止）。また、北ベトナムでは米海軍の磁気影響型機雷が多数自然発火した。^[16]

1989年3月の磁気嵐により、機器保護リレーが連鎖的に作動し、ハイドロ・ケベック電力網が数秒で崩壊した。 ^[3]^[17] 600万人が9時間にわたって停電した。この磁気嵐により、南のテキサスやフロリダでもオーロラが発生した。^[4]この現象を引き起こした磁気嵐は、1989年3月9日に太陽から放出されたコロナ質量の結果であった。^[18] Dstの最小値は-589 nTであった。

2000年7月14日、X5クラスのフレア（バスティーユ祭イベントとして知られる）が発生し、コロナ質量が地球に直接打ち上げられた。7月15日から17日にかけては地磁気スーパーストームが発生し、Dst指数の最小値は-301 nTだった。嵐の強さにもかかわらず、電力供給障害は報告されなかった。^[19]バスティーユ祭イベントはボイジャー1号とボイジャー2号によって観測されたため、^[20]太陽系で最も遠くで太陽嵐が観測されたことになる。

2003 年 10 月 19 日から 11 月 5 日の間に、太陽で 17 回の大規模なフレアが発生した。その中には、GOES XRS センサーで計測された中ではおそらく最も強力なフレア、11 月 4 日の大規模な X28 フレア^[21]も含まれ、このフレアにより極端な電波遮断が生じた。これらのフレアは、10 月 29 日から 11 月 2 日の間に 3 回の磁気嵐を引き起こした CME イベントに関連しており、この間に 2 回目と 3 回目の磁気嵐が、前の磁気嵐期間が完全に回復する前に発生した。最小 Dst 値は、それぞれ -151、-353、-383 nT であった。この一連の磁気嵐のもう 1 つの発生は、11 月 4 日から 5 日にかけてで、最小 Dst は -69 nT であった。最後の磁気嵐は、太陽の活動領域が子午線を越えて回転し、フレアイベント中に発生した CME の中心部分が地球の側を通過したため、以前の磁気嵐よりも弱かった。一連の磁気嵐全体は、ハロウィーン太陽嵐として知られるようになった。^[22]連邦航空局（FAA）が運営する広域補強システム（ WAAS ）は、嵐のため約30時間オフラインになった。^[23]日本のADEOS-2衛星は大きな被害を受け、他の多くの衛星の運用も嵐のために中断された。^[24]

惑星プロセスとの相互作用

太陽風は太陽の磁場も運びます。この磁場は北向きか南向きのどちらかになります。太陽風がエネルギーバーストを起こして磁気圏を収縮させたり膨張させたり、太陽風が南向きに偏向したりした場合は、地磁気嵐が発生することが予想されます。南向きの磁場は昼側磁気圏境界の磁気再結合を引き起こし、磁気エネルギーと粒子エネルギーを地球の磁気圏に急速に注入します。

磁気嵐の間、電離層のF ₂層は不安定になり、分裂し、消滅することもあります。地球の北極と南極の地域ではオーロラが観測されます。

楽器

磁力計は、赤道地域だけでなくオーロラ帯も監視します。オーロラ電離層を調べるには、コヒーレント散乱と非コヒーレント散乱の 2 種類のレーダーが使用されます。磁力線に沿って移動する電離層の不規則構造に信号を反射させることで、その動きを追跡し、磁気圏の対流を推測することができます。

宇宙船の計器には以下のものが含まれます。

磁力計は通常フラックスゲート型です。通常、これらはブームの端に取り付けられており、宇宙船とその電気回路による磁気干渉から遠ざけます。^[25]
対向するブームの端にある電気センサーは、離れた地点間の電位差を測定し、対流に関連する電界を導き出すために使用されます。この方法は、低軌道のプラズマ密度が高い場合に最適です。地球から遠い場所では、電気力の遮蔽を避けるために長いブームが必要です。
地上の電波探知機は、さまざまな周波数の電波を電離層で反射し、その反射のタイミングを計って電子密度プロファイルを決定できます。電子密度プロファイルは、ピークに達すると電波がそれ以上反射しなくなります。カナダのアルエット 1 号(1962 年) とアルエット 2 号(1965 年) に搭載された低地球軌道の電波探知機は、電波を地球に向けて送信し、「上部電離層」の電子密度プロファイルを観測しました。電離層では、他の電波探知方法も試されました (例: IMAGE )。
粒子検出器には、ヴァン・アレン放射線帯の最初の観測に使用されたガイガーカウンターが含まれます。シンチレーター検出器は後に登場し、さらに後には「チャネルトロン」電子増倍管が特に広く使用されるようになりました。電荷と質量の構成、およびエネルギーを導出するために、さまざまな質量分析計設計が使用されました。約 50 keV までのエネルギー (磁気圏プラズマの大部分を占める) では、飛行時間型分光計(「トップハット」設計など) が広く使用されています。^[^{引用が必要}^]

コンピュータは、数十年にわたる孤立した磁気観測を統合し、電流の平均的なパターンと惑星間変動に対する平均的な応答を抽出することを可能にした。また、数値グリッド上で磁気流体力学(MHD) の方程式を解くことで、地球規模の磁気圏とその応答のシミュレーションも実行している。磁気ドリフトと電離層伝導を考慮する必要がある内部磁気圏をカバーするには、適切な拡張を追加する必要がある。太陽風に直接リンクしている極地では、地磁気のスーパーストームの最中でも、大規模な電離層異常をうまくモデル化できる。^{[26] より}小さなスケール (緯度/経度程度に匹敵) では、結果の解釈が難しく、高緯度の強制力の不確実性に関する特定の仮定が必要になる。^[27]

磁気嵐の影響

電気システムの混乱

1859年の太陽嵐と同規模の地磁気嵐が今日起こった場合、衛星、電力網、無線通信に数十億ドル、あるいは数兆ドルの損害を与え、数週間、数か月、あるいは数年も修復できない大規模な停電を引き起こす可能性があると指摘されている。^[23]このような突然の停電は食糧生産を脅かす可能性がある。^[28]

主電力網

磁場が電線などの導体の周囲を移動すると、導体内に地磁気誘導電流が発生します。これは、磁気嵐のときにすべての長距離送電線で大規模に発生します（光ファイバー以前の電話線や電信線にも、同じメカニズムが影響していました。上記参照）。したがって、長距離送電線（長さ数キロメートル）は、この影響によって損傷を受けます。特に、中国、北米、オーストラリアの事業者が、特に現代の高電圧、低抵抗の送電線で被害を受けます。ヨーロッパの送電網は、主に損傷を受けにくい短い送電線で構成されています。^[29]^[30]

地磁気嵐によってこれらの線路に誘導される（ほぼ直流の）電流は、送電設備、特に変圧器に有害であり、鉄心の飽和を引き起こし、その性能を制限し（さまざまな安全装置を作動させ）、コイルと鉄心を加熱します。極端な場合には、この熱によって変圧器が機能しなくなったり破壊されたりし、変圧器に過負荷をかける連鎖反応を引き起こすことさえあります。^[31]^[32]ほとんどの発電機は変圧器を介して系統に接続されており、系統の誘導電流から分離されているため、地磁気誘導電流による損傷を受けにくくなっています。しかし、これにさらされた変圧器は発電機に対して不平衡負荷として機能し、固定子に逆相電流を引き起こし、その結果回転子が加熱します。

メタテック社による2008年の研究では、1921年に匹敵する強さの嵐が発生した場合、米国では300台以上の変圧器が破壊され、1億3000万人以上が停電し、損害は数兆ドルに上ると結論付けられています。^[33]混乱の程度は議論されており、一部の議会証言では、変圧器が交換または修理されるまで無期限の停電が発生する可能性があると示唆されています。 ^{[34]これらの予測は、}北アメリカ電力信頼性協会の報告書と矛盾しており、同報告書では、地磁気嵐により一時的な送電網の不安定化が生じるが、高電圧変圧器が広範囲にわたって破壊されることはないと結論付けています。この報告書は、広く引用されているケベック州の送電網の崩壊は、変圧器の過熱ではなく、7つのリレーがほぼ同時にトリップしたことが原因であると指摘しています。^[35] 2016年、米国連邦エネルギー規制委員会は、電力会社向け機器試験に関するNEARC規則を採用しました。地磁気嵐の影響から保護するために必要なアップグレードは4年以内に実施する必要があり、規制ではさらなる研究も指示されました。^[36]

変圧器が磁気嵐の影響を受けやすいことに加え、電力会社も間接的に磁気嵐の影響を受ける可能性があります。たとえば、インターネットサービスプロバイダーは磁気嵐中にダウンする可能性があり（また、その後も長期間にわたって機能しない可能性があります）、電力会社はインターネット接続を必要とする機器を所有している場合があるため、インターネットサービスプロバイダーがダウンしている間は、電力も供給されない可能性があります。^[37]

電力会社は、宇宙天気予報センター（SOHOやACEなどの宇宙天気衛星経由）などによる地磁気嵐の警報や警告を受信することで、変圧器を一時的に切断したり、一時的な停電を誘発したりして、送電設備への被害を最小限に抑えることができます。また、中性点接地接続を介してGICがグリッドに流入するのを防ぐなどの予防策も存在します。^[29]

コミュニケーション

高周波(3～30 MHz) 通信システムは、電離層を利用して長距離にわたって無線信号を反射します。電離層の嵐は、すべての緯度で無線通信に影響を与える可能性があります。一部の周波数は吸収され、他の周波数は反射されるため、信号が急速に変動し、予期しない伝搬経路が発生します。テレビや商用ラジオ局は太陽活動の影響をほとんど受けませんが、地上対空、船舶対岸、短波放送、アマチュア無線(主に 30 MHz 未満の帯域) は頻繁に妨害されます。HF 帯域を使用する無線オペレーターは、太陽と地磁気の警報を利用して通信回線を稼働させています。

高周波範囲で作動する軍事探知システムや早期警戒システムも、太陽活動の影響を受けます。地平線外レーダーは、電離層で信号を反射して、航空機やミサイルの発射を遠距離から監視します。磁気嵐の間、このシステムは電波の乱れによって著しく妨害される可能性があります。また、潜水艦探知システムの中には、潜水艦の磁気シグネチャを位置特定スキームへの入力の 1 つとして使用するものもあります。磁気嵐はこれらの信号を隠したり歪めたりします。

連邦航空局は、通信の問題を認識し、不要なメンテナンスを避けるため、太陽電波バーストの警報を定期的に受信しています。航空機と地上局が太陽と一直線に並ぶと、航空管制無線周波数で高レベルのノイズが発生する可能性があります。^[要出典]これは、地球局、衛星、太陽が一直線に並ぶと、 UHFおよびSHF衛星通信でも発生する可能性があります。航空機に搭載された衛星通信システムの不要なメンテナンスを防ぐため、AirSatOne は NOAA の宇宙天気予報センターからの地球物理学的イベントのライブフィードを提供しています。^[38]では、ユーザーが観測および予測された宇宙嵐を表示できます。地球物理学的警報は、今後の活動や履歴が衛星通信、GPS ナビゲーション、HF 通信に影響を与えるかどうかを判断するために、フライトクルーとメンテナンス担当者にとって重要です。

過去には電信線が磁気嵐の影響を受けていた。電信線はデータ線に長い一本の電線を使用し、数マイルにわたって伸び、地面を戻り線として使い、バッテリーから直流電力を供給していた。そのため、電信線は（後述する電力線とともに）リング電流による変動の影響を受けやすかった。磁気嵐によって誘導された電圧/電流は、バッテリーの極性から差し引かれると信号を弱め、また、バッテリーの極性に加算されると過度に強いスプリアス信号になる可能性があり、オペレーターの中にはバッテリーを外して誘導電流を電源として頼るようになった者もいた。極端な場合、誘導電流が高すぎて受信側のコイルが炎上したり、オペレーターが感電したりした。磁気嵐は、光ファイバーでない限り、海底ケーブルを含む長距離電話線にも影響を及ぼす。^[39]

通信衛星が損傷すると、地上以外の電話、テレビ、ラジオ、インターネットの接続が中断される可能性があります。^[40]米国科学アカデミーは2008年に、2012～2013年の太陽活動のピーク時に広範囲にわたる混乱が発生する可能性のあるシナリオについて報告しました。^[41]太陽のスーパーストームにより、数か月に及ぶ大規模な世界規模のインターネット障害が発生する可能性があります。研究では、潜在的な緩和策と例外（ユーザー主導のメッシュネットワーク、関連するピアツーピアアプリケーション、新しいプロトコルなど）について説明し、現在のインターネットインフラストラクチャの堅牢性を分析しています。^[42]^[43]^[44]

ナビゲーションシステム

全地球航法衛星システム (GNSS)や、 LORANや現在は廃止されたOMEGAなどの他の航法システムは、太陽活動によって信号の伝播が妨げられると悪影響を受けます。OMEGA システムは世界中に設置された 8 つの送信機で構成されていました。飛行機や船は、これらの送信機からの非常に低い周波数の信号を使用して位置を特定していました。太陽活動や磁気嵐の際には、このシステムから航海士に提供される情報は、数マイルも不正確でした。航海士が陽子現象や磁気嵐が進行中であると警告されていれば、バックアップシステムに切り替えることができたはずです。

太陽活動によって電離層の密度が突然変化し、衛星信号がきらめく（瞬く星のように）と、GNSS 信号が影響を受けます。電離層擾乱中の衛星信号のきらめきは、HAARPの電離層修正実験で研究されています。また、ヒカマルカ電波観測所でも研究されています。

GNSS 受信機が混乱を招く信号が存在する場合でも動作を継続できるようにするために使用される技術の 1 つに、GPS で使用される受信機自律整合性監視(RAIM) があります。ただし、RAIM は GPS コンステレーションの大部分が正常に動作していることを前提としているため、コンステレーション全体が地磁気嵐などの地球規模の影響によって乱れている場合は、あまり役に立ちません。このような場合に RAIM が整合性の損失を検出したとしても、有用で信頼性の高い信号を提供できない可能性があります。

衛星ハードウェアの損傷

磁気嵐と太陽からの紫外線放射の増加により、地球の上層大気が加熱され、膨張する。加熱された空気は上昇し、衛星の軌道の密度は高度約 1,000 km (600 マイル) まで大幅に増加する。その結果、抗力が増加し、衛星の速度が低下し、軌道がわずかに変化する。繰り返し高軌道に上げられない低軌道衛星は、ゆっくりと落下し、最終的には燃え尽きる。1979年のスカイラブの破壊は、予想よりも活発な太陽活動の結果として宇宙船が予定より早く大気圏に再突入した例である。 ^[45] 1989 年 3 月の大磁気嵐の間、米海軍の航法衛星 4 基が最大 1 週間使用不能となり、米宇宙軍は影響を受けた 1,000 を超える物体に新しい軌道要素を投稿する必要があり、同年 12 月にはソーラーマキシマムミッション衛星が軌道から外れた。 ^[46]

衛星の脆弱性は、その位置によっても異なります。南大西洋異常帯は、低軌道での地磁気が異常に弱いため、衛星が通過するには危険な場所です。^[47]

パイプライン

地磁気の急激な変動により、パイプライン内に地磁気誘導電流が発生することがあります。これはパイプライン技術者にとってさまざまな問題を引き起こす可能性があります。パイプラインの流量計が誤った流量情報を送信し、パイプラインの腐食速度が劇的に増加する可能性があります。^[48]^[49]

人間に対する放射線の危険性

地球の大気と磁気圏は地上では十分な保護を与えてくれるが、宇宙飛行士は致命的な放射線中毒の危険にさらされる可能性がある。高エネルギー粒子が生体細胞に侵入すると、染色体の損傷、癌、その他の健康問題を引き起こす可能性がある。大量に浴びると即死する恐れがある。30MeVを超えるエネルギーを持つ太陽陽子は特に危険である。^[50]

太陽陽子現象は、高高度を飛行する航空機に高レベルの放射線を発生することもあります。これらのリスクは小さいものの、飛行乗務員は繰り返し被ばくする可能性があり、衛星機器による太陽陽子現象の監視により被ばくを監視・評価し、最終的には飛行経路と高度を調整して吸収線量を下げることができます。^[51]^[52]^[53]

地上レベルの増強は、地上レベルイベントまたはGLEとしても知られ、太陽粒子イベントに地上レベルで影響を及ぼすのに十分なエネルギーを持つ粒子が含まれている場合に発生し、主に地上レベルで測定される中性子数の増加として検出されます。これらのイベントは放射線量に影響を与えることが示されているが、癌のリスクを大幅に増加させることはない。^[54]

動物への影響

地磁気嵐と人間の健康の関係については、科学文献が多数あるが、議論の余地がある。これはロシアの論文から始まり、その後、西洋の科学者によって研究された。原因に関する理論には、クリプトクロム、メラトニン、松果体、概日リズムの関与などがある。^[55]

一部の科学者は、太陽嵐がクジラの浜辺への打ち上げを引き起こしていると示唆している。^[56]^[57]鳥やミツバチなど、磁気受容を利用して移動する渡り動物も影響を受けるのではないかと推測する人もいる。 ^[58]

参照

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さらに読む

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外部リンク

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NOAA 宇宙天気予報センター
リアルタイムの磁気記録
ランカスター大学でのオーロラ鑑賞
USGS 地磁気プログラム
1859 年のカリントン事件の再発の危険性に関するジョン・ベディントンの論文

電力網に関連するリンク:

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NOAA 経済 – 地磁気嵐データセットと経済研究
地磁気嵐が電力網を脅かす可能性

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意味