宇宙天気ミニ講座（電離圏編）
情報通信研究機構 電磁波研究所
電磁波伝搬研究センター 宇宙環境研究室 陣 英克

内容
電離圏の基本的な性質
電離圏と電波の伝搬
電離圏の乱れと電波利用への影響
熱圏の乱れの宇宙利用への影響
NICTの情報提供について

気象、通信
衛星等

宇宙空間

太陽紫外線・ 線
X

GPS
衛星

熱圏と電離圏はどこにあるか？
• 地球大気と宇宙空間の境界にある（地球大気の最上層）

高さ（km）

700

温度

低軌道
衛星

オーロラ

熱圏
O

80
50
オゾン層

成層圏

10

対流圏

O+
e-• 熱圏大気の一部が電離し、電離圏を形
成

電離大気圏

中間圏

電離圏

• 太陽から入射する極端紫外線・X線を吸収 →熱圏の加熱• 電離圏は地上-衛星（地上-地上）間の通信、熱圏は低軌道衛星やスペースデブリの軌道に影響電離圏の分布・日変化
高さ方向の分布

水平方向の分布・日変化

電離圏イオン成分の高度分布

大気の濃さ（密度）[m-3]• 電離圏は高度によってD, E, F領域に区分され、主要なイオンが異なる。
• 密度のピークは高度300-400kmあたりにある。
• 太陽光のあたる日中・低緯度に電子密度が濃く、夜間・高緯度は薄い。
• 電子密度は、電離だけでなく、輸送の影響もある（赤道異常帯）

内容電離圏の基本的な性質

電離圏と電波の伝搬
電離圏の乱れと電波利用への影響
熱圏の乱れの宇宙利用への影響
NICTの情報提供について

電離圏電荷の電波への作用
周波数の低い電波（𝑓𝑓 < 𝑓𝑓𝑃𝑃 ⁄cos 𝐼𝐼）

𝒇𝒇

•
•
•

周波数の高い電波（𝑓𝑓 > 𝑓𝑓𝑃𝑃 ⁄cos 𝐼𝐼）

電離圏

電離圏

𝒇𝒇𝑷𝑷

𝒇𝒇𝑷𝑷

𝐼𝐼

電離圏の電荷による電場
入射電波の電界は電離圏の電荷の動きによって打ち消される

𝒇𝒇

電離圏のイオン・電子は固有の周波数（電子密度に依存： 𝑓𝑓𝑃𝑃 ∝周波数の低い電波（𝑓𝑓 < 𝑓𝑓𝑃𝑃 ⁄cos 𝐼𝐼）は、電離圏で反射電離圏の電荷による電場

𝐼𝐼

入射電波の変動は電離圏の電荷の動きより十分速いNe ）で振動周波数の高い電波（𝑓𝑓 < 𝑓𝑓𝑃𝑃 ⁄cos 𝐼𝐼）は、電離圏を通過（少し遅延が生ずる）

周波数帯ごとの電波伝搬
電波
（周波数）

長波 LF

中波 MF

短波 HF

超短波 VHF（30-300kHz）（0.3-3MHz）（3-30MHz）（30-300MHz）

極超短波 UHF（0.3-3GHz）

主な利用
（※1）

••

•
•

•

•
•
•
•
•

•
•
•
•
•

電波伝搬の仕方（※２）

Waveguide mode （地表‐電離層間導波管伝搬）

標準電波
船舶・航空機用ビーコン

船舶通信
船舶・航空機用ビーコン••

船舶・航空機通信
短波放送
アマチュア無線Sky-wave（電離圏伝搬）

Sky-wave

FM放送
防災行政無線
消防無線
列車無線航空管制通信

TV放送
防災行政無線
衛星通信
GNSS
列車無線

Line-of-sight（見通し内伝搬）

LOS※1 総務省ウェブサイト「周波数帯ごとの主な用途と電波の特徴」参考
http://www.tele.soumu.go.jp/j/adm/freq/search/myuse/summary/index.htm※２ ITU Handbook 「The ionosphere and its effects on radio wave propagation」参考内容
 電離圏の基本的な性質
 電離圏と電波の伝搬

電離圏の不規則な変動が電波の利用に影響電離圏の乱れと電波利用への影響

 電離圏嵐 プラズマバブル

 熱圏の乱れの宇宙利用への影響について紹介

 NICTの情報提供について電離圏嵐：どのようにして発生するか？

太陽風の状態（速度、磁場の向き・大きさ） と時間変化、および地球上の場所によって電離圏の電子密度が通常より増大（正相嵐）または減少（負相嵐）することがある。

電離圏嵐：事例
ピーク電子密度正相嵐の例（2017年9月8日）
ー黒線は月中央値

負相嵐の例（2001年4月23日）
通常時の約1/4に減少

通常時の約３倍に増加

太陽フレア発生（X9.3）

磁気嵐が発達（Dst指数=-122nT）

太陽フレア発生（M4.2）

磁気嵐が発達（Dst指数=-102nT）•

電離圏観測装置イオノゾンデによって東京（国分寺）上空で観測された電離圏嵐の例•

中規模の磁気嵐によって、中～大きめの正相嵐・負相嵐が発生（1-数年に1回発生するレベル）

負相嵐が電波利用に及ぼす影響
通常時の電波伝搬

負相嵐発生時の電波伝搬

F2層
F1層
E層
D層

LF MF

•
•
•

HF

LF MF

電離圏のイオン・電子は固有の周波数（電子密度に依存： 𝑓𝑓𝑃𝑃 ∝HFNe ）で振動周波数の低い電波（𝑓𝑓 < 𝑓𝑓𝑃𝑃 ⁄cos 𝐼𝐼）は、電離圏で反射し、周波数の高い電波（𝑓𝑓 < 𝑓𝑓𝑃𝑃 ⁄cos 𝐼𝐼）は、電離圏を通過電子密度の減少（負相嵐）によって𝑓𝑓𝑃𝑃 が小さくなると、それまで電離圏で反射していた電波が電離圏を通過するようになる。

正相嵐が電波利用に及ぼす影響
正相嵐の発生→電波の遅延が増大→測位誤差の増大
UHFTEC = � 𝑁𝑁𝑒𝑒 𝑠𝑠 𝑑𝑑𝑑𝑑

遅延誤差の増大𝑠𝑠

国土地理院様HPからの抜粋→つくば市の電子基準点の解析。カーナビやスマホなど一般のGPS測位方式では電離圏嵐による測位誤差が増大。測量など専門家が仕様する測位方式では電離圏による誤差の増大は起きない。

誤差2m→3m（東西）2m→7m（南北）
５ｍ→15m（上下）

プラズマバブル：どのような現象か？
プラズマバブルのイメージ

プラズマバブル生成のシミュレーション[Yokoyama et al., 2014]

密度濃い
密度薄い

高度300km
高度100km

磁気赤道の断面太陽活動高い時間（local time）

高さ [km]

プラズマバブルによる電波のシンチレーション発生[Ogawa et al., 2009]

太陽活動低い1月 2月 3月 4月 5月

8月 9月 10月 11月 １2月•

低緯度で日没後に発生•発生機構：日没後にF層下部の密度が減
少→勾配が急増→不安定性が成長•

太陽活動が高い時期、春・秋に発生率が高い

プラズマバブルが電波利用に及ぼす影響
ロック損失率プラズマバブルによるGNSS電波のLoss-of-lock•

プラズマバブルの中に細かい不規則構造→通過する電波の位相の乱れ→シンチレーション•

補足できる衛星の数が減少•

日本の南部にプラズマバブルが到達することがある

高度300km
高度100km

磁気赤道の断面各電離圏の擾乱現象の発生タイミング・頻度・場所
2-3 days～8min ～30min

太陽フレア
発生

現象

0.5～3hr

経過時間～3days
0.5～3hr2hr～1day

Dellinger現象

極冠吸収

太陽フレアとは関係なく発生
2hr～2day

伝搬性擾
乱（TID）

電離圏嵐・正相

電離圏
嵐・負相

プラズマバブルスポラディックE

中規模：１－数回/年
大規模：１－数回/10年

中規模：１－数回/年
大規模：１－数回/10年

太陽活動・季節によって、ほぼ毎日季節によって、ほぼ毎日

中緯度

高緯度
中緯度

発生
頻度

１－数回/年

１－数回/10
年

１－数回/年

発生
場所

太陽天頂角
＜90度

高緯度

高緯度
中緯度

低緯度

中緯度
低緯度

異常伝搬

電波伝搬への影響
waveguide（LF..）

位相など変調位相など変調Skywave（HF..）

電波減衰

電波減衰

LOS
（UHF..）

電波減衰

電波減衰

伝搬遅延 変化（勾配 増）

foF2増

MUF低下

スプレッド

伝搬遅延 増（勾配 増）

伝搬遅延 減シンチレー
ション、LOL内容電離圏の基本的な性質
電離圏と電波の伝搬
電離圏の乱れと電波利用への影響

熱圏の乱れの宇宙利用への影響
NICTの情報提供について

熱圏の乱れの宇宙利用への影響

気象、通信衛星等

宇宙空間

GPS
衛星

高さ（km）

700
低軌道（LEO）
衛星•

米国地上レーダー網によってトラックされている10cm以上の地球軌道の衛星・スペースデブリは増加の一途を辿る。公表されている物体総数20,000個のうち3/4はLEO•

熱圏大気は衛星・スペースデブリに対して大気抵抗として作用→物体の軌道や姿勢に影響

爆発や衝突で生ずる破片

熱圏

衛星爆破
実験（中国）

運用中に分離・放出された
機体の一部・不要物

オーロラ

80
50

大気圏

中間圏

オゾン層

成層圏

10

対流圏

NASA Orbital Debris Quarterly News, Vol.24, Issue 1, 2020

衛星同士の衝突熱圏の乱れの宇宙利用への影響

気象、通信衛星等

宇宙空間

GPS
衛星

高さ（km）

700
低軌道（LEO）
衛星•

磁気嵐の発生→極域から電流の流入などで大気が加熱・膨張→大気密度が増加→大気抵抗の増加•

磁気嵐（Kp=6-）が3時間、18時間継続した場合に大気抵抗の増加により、物体の軌道が数km、十数km変位→衛星－衛星・スペースデブリの衝突リスクに影響•

2000/7の磁気嵐の影響により「あすか」衛星の軌道で大気密度が数倍に急増→衛星の姿勢制御能力を超える大気抵抗のトルクが作用→衛星の姿勢の乱れ

熱圏
オーロラ

8050

大気圏中間圏

オゾン層

成層圏

10

対流圏

（Berger, et al., 2020）

内容電離圏の基本的な性質
電離圏と電波の伝搬
電離圏の乱れと電波利用への影響
熱圏の乱れの宇宙利用への影響

NICTの情報提供について

NICTの情報提供について
NICT宇宙天気予報トップページ（https://swc.nict.go.jp/）←googleで「宇宙天気」などと検索「電離圏嵐」「デリンジャー現象」「スポラディックE層」の項目をクリック→リアルタイ
ムの電離圏状態のページへ「リンク」の「電離圏ワーキンググ
ループ」から過去の電離圏観測デー
タを閲覧、提供するページへ• 国内イオノゾンデ• 国内全電子数（GNSS-TEC）• 東南アジア・南極の電離圏観測などの情報を提供している。

電波伝搬可視化についてのWebツー
ル「HF-START」
リアルタイムまたは入力画面で任意の日時を入力し、電波伝搬の状況をを可視化することができる

URL： https://hfstart.nict.go.jp/jp/index.html「リンク」の「HF-START」、またはGoogle等で「HF-START]のワード検索でもアクセス可電離圏・熱圏・宇宙天気について、より詳しく知りたい場合に前者は大学院生等向けの公開テキスト、後者は一般の方向けのNICT技術報告書• 太陽地球圏環境予測オープン・テキストブック (名古屋大学レポジトリより2021/8に公開)
https://nagoya.repo.nii.ac.jp/search?search_type=2&q=1
621213872938• 情報通信研究機構研究報告「宇宙環境計測・予測技術特集」（2021年10月発行）
https://www.nict.go.jp/data/research-report/index.html

宇宙天気ミニ講座・電離圏編 まとめ• 社会で利用されている各周波数帯の電波（LF～UHF）の伝搬に電離圏が密接に関わっている。
• 太陽フレア等に起因する宇宙天気現象は、電離圏の乱れを通じて、そうした電波伝搬に影響する。
• 今回扱っていないが、下層大気に起因する電離圏変動・擾乱もある。
御静聴ありがとうございました。