太陽粒子イベント

太陽物理学において、太陽粒子事象（SPE ）は、太陽高エネルギー粒子事象または太陽放射嵐とも呼ばれ、^{[a] [1]}太陽から放出された粒子（主に陽子）が、太陽フレア中に太陽の大気中、またはコロナ質量放出衝撃によって惑星間空間で加速されたときに発生する太陽現象です。ヘリウムやHZEイオンなどの他の原子核も、この事象中に加速される可能性があります。これらの粒子は地球の磁場を貫通し、電離層の部分的な電離を引き起こす可能性があります。高エネルギー陽子は、宇宙船や宇宙飛行士にとって重大な放射線の危険です。

SPE は、太陽の大気中の荷電粒子が極めて高速に加速されたときに発生します。これらの荷電粒子は太陽エネルギー粒子と呼ばれ、惑星間空間に逃げ出し、惑星間磁場に沿って移動します。

太陽の高エネルギー粒子が地球の磁気圏と相互作用すると、地球の磁場によって北極と南極に向かって誘導され、上層大気に侵入することができます。^[2]

SPE に至る太陽エネルギー粒子の加速の背後にある物理的メカニズムは現在議論されています。しかし、SPE は一般に、加速メカニズムに基づいて 2 つのクラスに分類できます。^{[引用が必要]}

緩やかな SPE は、上部コロナのコロナ質量放出によって引き起こされる衝撃による粒子の加速を伴うと考えられています。これらはタイプ II の電波バーストと関連しており、元素の存在量、電荷状態、温度が周囲のコロナと類似していることが特徴です。これらのイベントは、地球の近くで最も高い粒子強度を生み出します。

衝動的な太陽フレアは、主に太陽フレアの発生場所での磁気再結合や波動粒子相互作用に関連したプロセスによって粒子が加速されると考えられている。これらは低高度での短時間のフレア放射やタイプIIIの電波バーストと関連している。地球の近くでは、緩やかなイベントよりも強度が低い。緩やかなイベントと衝動的なイベントの両方の特徴を持つハイブリッドクラスも特定されている。^{[3] [4]}

SPE 中に加速された陽子は通常、地球の磁場を貫通するのに十分なエネルギーを持っていません。しかし、異常に強いフレアの間は、陽子は北極と南極の周りの地球の磁気圏と電離層に到達するのに十分なエネルギーまで加速されることがあります。

極域に導かれた高エネルギー陽子は大気の成分と衝突し、電離の過程でエネルギーを放出します。エネルギーの大部分は電離層の極下層 (D 領域) (高度約 50～80 km) に蓄積されます。この領域は、無線信号エネルギーの吸収が最も多く発生する領域であるため、電離層無線通信にとって特に重要です。入射する高エネルギー陽子によって生じる電離の促進により、下部電離層の吸収レベルが上昇し、極域を通るすべての電離層無線通信が完全に遮断される可能性があります。このようなイベントは、極冠吸収イベントとして知られています。これらのイベントは、約 10 MeV (百万電子ボルト) を超える入射陽子のエネルギーが静止衛星高度で約 10 pfu (粒子束単位または粒子 sr ⁻¹  cm ⁻²  s ⁻¹ )を超える限り始まり、続きます。

極冠吸収現象とそれに伴うHF無線遮断は、民間航空と軍用航空に特有の問題を引き起こします。極地、特に北緯約82度以上の地域を通過するルートは、HF無線通信にしか頼ることができません。そのため、極冠吸収現象が進行中または予測される場合、民間航空会社はHF通信が実行可能な状態を保つようにルートを変更する必要があります。^{[5] [6]}

200 MeVを超えるエネルギーを持つ高エネルギー陽子を生成できる極めて強力なSPEは、二次放射線効果によって地表レベルの中性子カウント率を増加させる可能性があります。これらのまれなイベントは、地表レベル増強（またはGLE）として知られています。^[7] 現在、73のGLEイベントが知られています。^[8] 最も強力な既知のGLEイベントは、1956年2月23日に検出されました。^[9] 一部のイベントは大量のHZEイオンを生成しますが、総放射線への寄与は陽子のレベルと比較すると小さいです。^[10]

太陽粒子現象は、樹木の年輪に含まれる特定の同位体の濃度が急激に増加する現象である三宅現象の原因であると考えられている。物理学者の三宅房氏が発見したこの現象により、過去の太陽粒子現象のいくつかの年代を特定の年まで特定することが可能になった。

高高度の商業用極地横断航空機の飛行では、これらの事象の発生時に放射線の増加が測定されています。2019年、国際民間航空機関は、国際航空航行に関連する宇宙天気予報を発行する宇宙天気センターを導入し、航空に対する宇宙天気の影響と可能な緩和措置について説明しています。^[11]極地から離れた航空機の飛行では、SPEの影響を受ける可能性ははるかに低くなります。

月へ向かう途中の宇宙飛行士や月にいる宇宙飛行士など、地球の磁気圏の保護シールドの外側にいる宇宙飛行士は、かなりの陽子放射線被曝を経験する可能性があります。ただし、宇宙飛行士が低地球軌道上にいて、宇宙船の最も強力にシールドされた領域に留まっている場合は、影響を最小限に抑えることができます。低地球軌道での陽子放射線レベルは、軌道傾斜角とともに増加します。したがって、宇宙船が極地に近づくほど、高エネルギー陽子放射線への被曝量が多くなります。

SPE からの高エネルギー陽子は、宇宙船を電子部品に損傷を与えるレベルまで帯電させる可能性があります。また、電子部品の動作が不安定になることもあります。たとえば、宇宙船のソリッド ステート メモリが変更され、データやソフトウェアが汚染され、予期しない (幻の) 宇宙船コマンドが実行される可能性があります。高エネルギー陽子嵐は、太陽光を集めて電気に変換するように設計された太陽電池パネルの効率も低下させます。太陽からの高エネルギー陽子活動に何年もさらされると、宇宙船は相当量の電力を失う可能性があり、重要な機器の電源をオフにしなければならない場合があります。

エネルギーの高い陽子が宇宙船の繊細な光学電子機器 (スタートラッカーやその他のカメラなど) に衝突すると、撮影した画像に閃光が発生します。この影響は非常に顕著で、極端な場合には太陽や星の高画質画像を取得できなくなります。これにより宇宙船の方向がわからなくなる可能性があり、地上の管制官が制御を維持するにはこれが極めて重要です。

大規模な SPE は、電力網に広範囲にわたる混乱を引き起こす可能性のある磁気嵐と関連している可能性があります。ただし、プロトン イベント自体は電力網の異常を引き起こす原因ではなく、磁気嵐を引き起こす原因でもありません。電力網は、地球の磁場の変動にのみ敏感です。

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