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
宇宙環境研究室 陣 英克

内容
• 電離圏の基本的な性質• 電波の伝搬の仕方と電離圏の関わり• 各電離圏現象がどこでいつ発生するか

電離圏の生成と高度分布

太陽紫外光の入射による大気の電離𝑂 + ℎ𝜈 ⟶ 𝑂+ + 𝑒
𝑁2 + ℎ𝜈 ⟶ 𝑁2+ + 𝑒
𝑂2 + ℎ𝜈 ⟶ 𝑂2+ + 𝑒

電離圏の分布・日変化• おおまかに日中・低緯度は電子密度が濃く、夜間・高緯度は小さい。
• 大きな日々の変動や、不規則な激しい乱れがある。

電波の伝搬の仕方と電離圏の関わり

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）

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）

FM放送
防災行政無線
消防無線
列車無線
航空管制通信極超短波 UHF（0.3-3GHz）
••
•
•
•

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）

Sky-wave
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

電波の伝搬の仕方と電離圏の作用①（Waveguide mode）
該当する電波• VLF• LF（<60kHz）

電離圏 D層60-70km地表

電離層

電離圏の作用• 上部境界条件の変化→位相、振幅の変化• 影響する電離圏の現象
D層の異常電離（←太陽フレアに伴うX線の入射、プロトン粒子フラックス）

送信局

From ITU Handbook「The ionosphere and its effects on radio wave propagation」

電波の伝搬の仕方と電離圏の作用②（Sky-wave propagation）
該当する電波LF（＞60kHz）、MF、HF、VHF

電離圏嵐（負相嵐）
F2層
F1層
E層
D層

電離圏の作用

LF MF

HF

LF MF

HF

• 電離圏電子・イオンの応答が電波に合成→
電波の屈折・反射
D層の異常電離• 臨界周波数 fc ∝ （電子密度）1/2
f<fc で反射、f>fc で透過 （鉛直伝搬）• 影響する電離圏の現象
電離圏嵐→MUF（最大利用可能周波数）の減少等
D層の異常電離（太陽フレアX線、プロトン）→電波の吸収赤道電離圏の不安定、オーロラ帯→F層スプレッド赤道電離圏の不安定性

X線
D層電離

LF MF

HF

HF

極冠吸収（プロトンイベントによるD層異常電離)の影響
スポラディックE層によるVHFの異常伝搬と思われる例（神戸新聞 2014/8/8の記事より）（Thomson Reuters 2012/1/25 の記事）

電波の伝搬の仕方と電離圏の作用③（Line-of-sight propagation）
該当する電波VHF、UHF電離圏の作用• 電離圏電子・イオンの応答が電波に合成→電波の屈折• 電離圏を透過する電波の群遅延（sec）
𝑡 = 1.34 × 10−7 𝑇𝐸𝐶 Τ𝑓 2
• 影響する電離圏の現象
電離圏嵐（正相・負相）、伝搬性擾乱、SED→遅延量の増大・勾配の増加
プラズマバブル→シンチレーション、Loss of Lock
D層の異常電離（太陽フレアX線、プロトン）→電波の吸収TEC = න 𝑁𝑒 𝑠 𝑑𝑠𝑠

プラズマバブルによるGNSS電波のLoss -of-lockプラズマバブルによって電波を受信できなくなったと考えられる例（Science誌HP 2014/9/23の記事より）

各電離圏現象がいつどこで発生するか

各電離圏の擾乱現象の発生タイミング・頻度・場所～8min ～30min

太陽フレア
発生

2-3 days

0.5～3hr

経過時間～3days
0.5～3hr2hr～1day2hr～2day

現象

Dellinger
現象

極冠吸収

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..）

電波吸収

電波吸収

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

Dellinger 現象 事例・原因・予測可能性
事例：2013/05/15 X1.2フレア

SDO衛星による太陽極端紫外線の観測

太陽Ｘ線強度の増加により、下部電離圏（D層）の電離が増加

Dellinger 現象 事例・原因・予測可能性
2013/05/15 X1.2フレアの発生直後のイオノグラム
高さ（km）

高さ（km）

1000

10:30 JST
鹿児島
通常時

800

1000
800

600

600

400400

電離圏エコー

200

200

00

1

5101520周波数（MHｚ）

25

10:45 JST鹿児島
デリンジャー
現象発生時

電離圏エコーの消滅（30分以上継続）
15101520
周波数（MHｚ）

25

原因：太陽フレア直後のX線入射がD層を電離→電波のエネルギーを大気が吸収予測可能性：現状では太陽フレアの予測を基に予測を行っている

電離圏嵐 事例
中規模の電離圏嵐の例（1980年4月9-11日）
負相嵐
Negative Storm

大規模の電離圏嵐の例（2003年10月30日）※～300TEC

正相嵐
positive Storm

青：電離圏嵐が起こる前の状態
赤・黒：電離圏嵐が発生している状態

実線：1ヶ月平均の日変化
正相嵐のあと負相嵐が起こる例が多い

電離圏嵐によりTECが～300TEC増加（L1の周波数で ＞40mの遅延量に相当）※Mannucci et al. [GRL 2005]

電離圏嵐 原因・予測可能性

太陽フレア・フィラメント噴出→CME(コロナ質量放出）
コロナホール→高速太陽風

磁気嵐

予測可能性
現状：地磁気の予測に基づき、統計的に電離圏嵐の予測を立てている
将来：数値シミュレーションと観測による予測を目標としている

プラズマバブル
TEC絶対値

ROTI

ロック損失率発生機構：日没後にF層下部の密度勾配が急増→不安定性が成長
高度300km
高度100km

太陽活動が高い＆春・秋に発生率が高い
発生の日々変動は未だ研究がなされている

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。