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電離層嵐は、太陽から生成された電離層内のエネルギー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、正の嵐は電子密度が高く、負の嵐は電子密度が低くなります[ 3 ] 。全電子量（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および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、太陽風の速度の急激な増加と強く関連しており、太陽風はエネルギーを与えられた電子を地球の上層大気に運び込み、TECの増加に寄与します。[ 4 ]大規模な嵐は、オーロラの世界的な可視性を生み出します。オーロラは北極圏で最もよく見られますが、大規模な電離層嵐によって、やや低い緯度でもオーロラが見えるようになります。最も激しい電離層嵐は1859年に発生し、一般に「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、キャリントン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。 [ 5 ]この嵐の激しさにより、オーロラの可視性は低緯度にも及び、フロリダやカリブ海などの場所で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領域およびD領域の電離層嵐も、電離層嵐の主要なカテゴリーと考えられています。F領域の嵐は、地球の電離層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領域は電離層の中で最も高い領域です。F1層とF2層から構成され、地表からの高さは約200～500kmです。[ 7 ]これらの嵐の継続時間は約1日で、約27.3日ごとに再発します。[ 6 ]電離層の異常のほとんどは、電離層のF2層とE層で発生します。D領域の嵐はF領域の嵐の直後に発生し、「嵐後効果」と呼ばれ、F領域の嵐の発生後1週間続きます。[ 8 ]
1859年8月28日のキャリントン現象の際に発生した最大の電離層嵐は、鉄道信号や電信線での火災発生など、さまざまな部分に広範囲にわたる被害をもたらした。[ 9 ]この嵐によって生成された高エネルギー電子の密度の高さが、これらの電気的な過負荷と不足を引き起こした。
過去 35 年間の嵐の発生は、最大 Ap [ 2 ]で統合され測定されています。これは、電離層嵐の期間中の平均日地磁気活動を記録したもので、最大 Ap カウントが高いほど地磁気活動のレベルが高くなります。地磁気活動の観点からの 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」、100 以上が「激しい嵐」と分類されます。[ 10 ]過去 35 年間の小規模嵐は、30 ～ 49 Ap の範囲で、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。 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）、2013年6月1日（58）に、50～99 Apの規模の大きな嵐が発生しました。 100 Ap に等しいかそれを超える激しい嵐は、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)、および 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 月の聖パトリックの日の嵐は、電離層 F2 領域で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 ～ 6 時間と短い期間で、電離層に正の効果をもたらしました。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、電離層の組成の変化、重力波に関連する移動電離層擾乱 (TID) に依存し、さまざまな場所でさまざまな影響を及ぼします。[ 11 ]
電離層嵐の開始時には、電離層における地磁気擾乱により、嵐は短時間正になります。その後、負の位相の嵐になり、電子密度が中和される回復フェーズに戻ります。[ 12 ]
電離層嵐の正相は最初の約24時間続きます。この相では、電離層、特にF1やF2などの高高度層における電子密度が増加します。電子密度の増加により、正相での電離は目立たなくなります。 [ 13 ]正相の電離層嵐は持続時間が長く、冬に多く発生します。[ 13 ]大規模な電離層嵐の正相では、電離層F領域の高度が上昇し、地磁気極の太陽とは反対方向に広がる巨大な舌状のプラズマ異常が生じます。これは地上レーダー[ 14 ]だけでなく、衛星やGPSシステム[ 15 ]でも観測できます。 2003年11月20日のスーパーストームのような最大の地磁気嵐でも、最新の一般循環モデルは正の電離層異常をシミュレートできます。[ 16 ]
電離層嵐の負のフェーズは、嵐の正のフェーズの直後に発生し、正のフェーズの電子密度が「静穏時の基準レベルを下回る」まで低下してから 1 ～ 2 日続きます。[ 13 ]負のフェーズは嵐の電子密度を低下させます。また、負のフェーズはより長い期間続き、夏に多く発生します。[ 13 ]
電離層嵐の回復期は負の位相が終了し、電子密度が中和された後に起こります。熱圏電離層一般循環モデル（TIGCM）に従って、12時間から1日の時間スケールを使用して、嵐後の電子密度の再安定化の正確な時間を計算することができます。[ 17 ]
電離層嵐が電離層のF領域、E領域、D領域などの各層に及ぼす影響は、嵐の規模によって異なります。F領域はE領域やD領域に比べて高度が最も高いため、最も影響を受けやすい層です。D領域は高度が最も低いため、地磁気擾乱の影響は最も小さくなります。
F領域は、地球表面から約200km上空に位置し、層全体の高度が約300kmに及ぶ、電離層および内大気の最上層です。F領域のF2領域（内大気の最上層）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、電離層境界での太陽風の摩擦によって影響を受け、磁気圏の動きが生じ、それが電離層に侵入したり、電離層から出たりして、TECと電子密度を増減させる擾乱を引き起こします。[ 18 ]電離層嵐の間は、 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 ] F領域では電離密度も影響を受け、高度が上がるにつれて減少します。[ 20 ]電離密度が増加すると、原子は電子を失い、そのため低い高度では電子密度が低下します。[ 21 ] F1層などのF領域の下層では、電離量が多く、電子密度が低くなります。TECと電子密度の増加を説明するF領域高度の劇的な増加は、数値モデルによっても再現されています。[ 22 ]
E領域は電離層の中間層で、地球表面から約100km上空に位置し、約100kmの範囲に広がっています。E領域への影響は主にこの層の高緯度に関連しており、そこではより深刻な地磁気擾乱が発生します。この層の電離は主にオーロラにおける粒子降下から生じます。[ 23 ]緯度が低いため、F領域と比較して電離密度が高く、電子密度が低くなっています。電流の伝導率の増加は、 E領域の磁場線に沿って流れる磁気圏の対流電場によって引き起こされます。 [ 23 ]伝導率の増加は、電離層嵐の影響によるものでもあります。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領域は電離層の最下層で、地球表面から約60km上空にあり、その層の高度は約30～40kmに及ぶ。D領域の上端は地球表面から約90～100km上にある。電離層嵐が発生すると、D領域で電子の電離が促進され、昼夜非対称性（DLPT深度）が低下する。[ 24 ] DLPT深度は、平均昼間レートから平均夜間レートを差し引き、それをレートの平均値で割ることによって計算される。[ 25 ] DLPT深度は、D層でApが増加するにつれて減少する。
電離層嵐が発生すると、通信に大きな障害が生じる可能性があり、中高度および高高度では、無線通信は「無効」になると考えられています。[ 26 ]これは、電離層に存在する電波が、太陽風の急激な増加と高エネルギー電子によって干渉されるためです。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信号の一時的な遮断が含まれます。 [ 27 ]世界規模の影響は様々で、デジタル放送や無線通信技術による情報の表示に悪影響を及ぼし、特定の技術の使用を一時的に不可能にする可能性があります。
航空機の乗客と乗務員は、電離層嵐の間、海面にいる人に比べて高い放射線量を受けます。飛行高度は通常 10 km 以上なので、飛行中に電離層嵐が発生すると、機内の人は生涯のうちに致死性の癌を発症する確率が約 0.1% 上昇する可能性があります。高度 10 km 以上を飛行している航空機は、海面にいる場合と比べて電離放射線に約 300 倍多くさらされます。[ 28 ]電離層嵐によって生成された高エネルギー粒子は、高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)により、マイクロエレクトロニクス回路に損傷を与え、混乱させる可能性もあります。[ 28 ]航空機の電気機器の短絡は、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ります。
人工衛星に搭載された太陽電池は、電離層嵐によって損傷または破壊される可能性があり、信号伝送が妨げられることがある。
地球に向かう太陽風[ 29 ]と、それによって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、電離層を含む地球大気の最上層にしか到達しません。しかし、大気の下層への影響の可能性が報告されています。2012年3月に米国で太陽風が増加した時期は、同時期に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 ]高速太陽風ストリーム（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に統計的な関連性があること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沈着の増加は、下方へ伝播する大気重力波を生成すると考えられています。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 ]
電離層嵐による電離層の信号障害のため、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 信号はさまざまな携帯電話に組み込まれたため、発売以来、その使用の普及は大幅に増加しました。GPS は方向を表示する目的を果たす重要な技術であり、ほぼ完全に影響を受け、人々が方向を理解できなくなる可能性があります。全地球航法衛星サービス (GNSS) のような方向探知装置も航空機で使用されています。このシステムは、この航法システムが機能するために必要な衛星や太陽電池の放射線損傷によって損なわれる可能性があります。航空機が電離層嵐で GNSS へのアクセスを失った場合、バックアップの航空機手順が利用可能です。[ 28 ]
1859年のキャリントン事件では、利用可能な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を除けば、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、予測技術は向上しました。この技術により、気象学者は、24時間前に垂直に返される最高周波数を、8～13%の精度で、擾乱が限定的な期間で検出できるようになりました[ 32 ]。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領域の通信周波数が無効になる電離層嵐中の最大使用可能周波数（MUF）を予測します[ 33 ] 。
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