宇宙天気ミニ講座ー磁気圏編ー
情報通信研究機構 電磁波研究所 宇宙環境研究室

中溝葵

第15回宇宙天気ユーザーズフォーラム 2020年11月11日

IMAGE衛星で撮像されたオーロラ(https://www.nasa.gov/)

太陽風の大規模構造

約2億7千万km

数値シミュレーション[Shiota et al. 2014]

動画

磁気圏の形成

地球の磁場：双極子磁場（南極はN極, 北極はS極)。
太陽風により変形（前面は圧縮・反対側は伸びている）。地球磁場の勢力範囲 = 磁気圏
磁気圏によって生命に有害な高エネルギー粒子の侵入が遮られている。
電離圏：太陽X線や紫外線から生命を守るバリア
磁気圏：太陽風・宇宙線から生命を守るバリア
太陽風エネルギーの流入・蓄積・解放→さまざまな宇宙天気現象が発生。

動画

磁気圏の形成

地球の磁場
北向き
電離圏

磁場は荷電粒子の進路を曲げる(侵入を防いでいる)

地球の磁場：双極子磁場（南極はN極, 北極はS極)。
太陽風により変形（前面は圧縮・反対側は伸びている）。地球磁場の勢力範囲 = 磁気圏
磁場によって生命に有害な高エネルギー粒子の侵入が遮られている。
電離圏：太陽X線や紫外線から生命を守るバリア
磁気圏：太陽風・宇宙線から生命を守るバリア
太陽風エネルギーの流入・蓄積・解放→さまざまな宇宙天気現象が発生。

太陽風エネルギーの入り方
開いた磁力線
太陽風磁場が南向き成分を持つと…

1.

磁気圏前面で太陽風磁場と地球磁場は反平行：磁力線が繋ぎ替わる
太陽風プラズマが磁気圏に入る

閉じた磁力線2.

一方の端が太陽風とつながった開いた磁力線が生成

3.

↓

4.

「開いた磁力線」は太陽風にとともに尾部（後方）に運ばれる

5.

↓

6.

尾部で南北の開いた磁力線 が近づく(反平行)
磁力線が繋ぎ替わり閉じた磁力線に

太陽風

7.

↓

8.

閉じた磁力線は元に戻ろうとする力によって地球の方に移動

9.

↓磁力線と一緒に太陽風起源のプラズマも磁気圏内を移動
電磁場の作用を受けさまざまな領域を形成（一連の磁場・プラズマの循環：磁気圏対流）
Hughes [1991] (in Kivelson and Russel)より抜粋・編集

さまざまな領域
2020年11月11日10:40の磁気圏（イメージ/模擬太陽風）

開いた磁力線

太陽風
10[/cm 3] ,1,000,000[K]閉じた磁力線プラズマシート
オーロラを光らせるプラズマの貯蔵庫
1-10[/cm 3], <10[keV]

プラズマシート
オーロラを光らせるプラズマの貯蔵庫

太陽風

オーロラ帯
https://www.nasa.gov/
Hughes [1991] (in Kivelson and Russel)より抜粋・編集

RE：地球半径1 eV/k=11,604 K
k （ボルツマン定数）= 8.617×10 −5 eV/K

さまざまな領域
2020年11月11日10:40の磁気圏（イメージ/模擬太陽風）

開いた磁力線

太陽風
10[/cm 3] ,1,000,000[K]閉じた磁力線プラズマシート↓7 [RE]

オーロラを光らせるプラズマの貯蔵庫
1-10[/cm 3], <10[keV]

プラズマシート
オーロラを光らせるプラズマの貯蔵庫

太陽風

内部磁気圏

放射線帯

数 10~数 100[keV], 西向きに流れる「環電流」

MeV以上 (相対論的 ) の電子

オーロラ帯

Hughes [1991] (in Kivelson and Russel)より抜粋・編集

RE：地球半径1 eV/k=11,604 K
k （ボルツマン定数）= 8.617×10 −5 eV/K

オーロラ嵐「サブストーム」©THEMIS, NASA

動画

磁気嵐
太陽風エネルギー流入がさらに大きい場合（太陽風南向き磁場がとても強い・高速太陽風）• 強いサブストームが頻発→オーロラ帯に強い電流が流れる• 西向き環電流が発達
内部磁気圏で西向き環電流が発達

気象庁柿岡地磁気観測所（茨城県柿岡データ）
200nT減少
日本付近での地磁気強度：30000nT
日変化：30nT程度

固有磁場

中低緯度の地上の磁場強度が弱まって見える••

地磁気擾乱（サブストーム・磁気嵐）の基準
気象庁地磁気観測所データ（K指数）
NICT宇宙天気予報でも地磁気観測所のデータを地磁気擾乱
レベルの基準として利用させていただいています。

define these storms as moderate (Dst < !50 nT) or intense (Figure 1) were classified as geosynchronous ‘‘increases,’’ 5were classified as ‘‘decreases,’’ 5 were classified as ‘‘no(Dst < !100 nT).
[9] Figure 1 shows the relativistic electron fluxes (1.2– change,’’ and one storm, on May 15, had missing data and2.4 MeV) measured by POLAR as a function of L-shell and was not included in the analysis.
[13] In Figure 3a we plot the post-storm flux against thetime for the year 1997. Also shown are the Dst index andthe solar wind velocity. The !50 nT Dst threshold is pre-storm flux and color each point: red for ‘‘increase,’’ blueindicated with a red line. There were 21 storms during for ‘‘decrease,’’ and green for ‘‘no change.’’ One clear
conclusion from this plot is that the pre-storm and post1997 which met our criteria.
[10] Figure 2 shows three examples of the relativistic storm fluxes are essentially uncorrelated. Any given postelectron response to geomagnetic storms. Figure 2a shows storm flux could have been preceded by either high or low
the interval from January 1 to February 25, 1997 which pre-storm levels.
[14] Figure 3b shows the distribution of events as a
includes the well-known January 10, 1997 storm [e.g.,Reeves et al., 1998a, 1998b; Li et al., 1998]. This storm is function of the change in flux (the ratio of post-storm to• 磁気嵐の発生に伴い放射線帯も大きく変動
typical of the storms that most studies have analyzed to pre-storm fluxes). Over one entire solar cycle from 1989
増加自体は、太陽風南向き磁場の大きさよりも高速風が影響
2000 there were 276 storms with Dst < !50 fordate. A brief decrease of the relativistic electrons is • through
していると考えられている。
we had complete geosynchronous data (noon reconobserved in association with the build-up of the ring current whichfluxes). Of those, 145 storms (53%) resulted in an
but is quickly followed by a rapid increase of the electron • structed
必ずしも増加するわけではない。
increasein geosynchronous fluxes. Another 53 storms
fluxes over a broad range of L-shells.
• 高エネルギー電子の増減のバランスで決まる。
resultedin a flux decrease. For or
theremaining 78[11] The storm in May 1999 (Figure 2b) shows a quite (19%) –減る＝磁気圏外へ逃げる
電離圏へ降下changed the fluxes by less than a factor of 2 indifferent response. Again there is a rapid decrease in fluxes storms (28%)– 増える＝低エネルギーの電子が加速される
at the storm main phase but, in this event, the fluxes never either direction (no change).

放射線帯変動[Reeves
et al. 2003]
Figure 2. Details of three types of responses. (A) A strong increase of relativistic electron fluxes
in responseto theJanuary 1997 geomagnetic storm. (B) A dramatic and permanent loss of electrons throughout the outer belt in May 1999.
(C) A !100 nT storm in February 1998 with peak fluxes after the storm very similar to peak fluxes after the storm.

F . 2.

FC

5.

-()

-2000

.T
F . 1. FF

28(X)

20,X

1. T
8 ( )F . 440 (T.T(Y))

F

F . 2. C-NP(-2012(. T

表面帯電). T

ATS-6, Y) ) 24

SCATHA-M(2502000.

1).

F-7.

GEO
2-T -()

NASA W
(-C()

2000

.TF

2.

6-8(X)

20,X(Y))

.

T(. T
8 ( )
40 (1 F,極軌道衛星GEO20).

T
F . 1. F

1 32 10. T). T

ATS-6, Y)(M -F-()

F.T

2000
M

2000

7
(M -F.U()
静止軌道衛星,2000
M. T. ,
M
1 3
3.3. Sim lation
res2 10lts and disc ssions T 3 4.
2000
3.3. Sim lation res lts and disc ssions
F
3F 3
T

(). I,.

24)

5.

,)

.

静止軌道や高緯度域上空に大量のプラズマ粒子（~数十keV）が流入
1 F,. T
衛星の表面帯電・放電を引き起こす
2000
.
GEO

(().

6

オーロラ嵐「サブストーム」
SCATHA-M
.T

20-CT

GEO
2

(NASA W
(. I)

,
2000

(M). I. IT,

3.
4

2000

.U.

-,

2000

T-,.

事例
• 2003/10/23-11/6 みどり2号機：通信途絶・運用断念（オーロラ帯上空）• 2010/4/5 米国Galaxy 15衛星：強力なコマンド受付不可状態・9ヶ月後復旧（静止軌道）
帯電シミュレーション [Nakamura et al., 2017]

F . 3. T

SCATHA-M

31-2012.

.

放射線帯変動

includes the well-known January 10, 1997
Reeves et al., 1998a, 1998b; Li et al., 1998].
typical of the storms that most studies hav
date. A brief decrease of the relativistic
observed in association with the build-up of th
but is quickly followed by a rapid increase ofluxes over a broad rangeof L-shells.
深部帯電[11] The storm in May 1999 (Figure 2b)
different response. Again there is a rapid decr
at the storm main phase but, in this event, th

静止衛星は放射線外帯の外側境界付近、放射線帯の増減が人工衛星の不具合につながることがある。
放射線帯電子：数100keV~MeV > サブストーム電子：数~数10keV

Figure 2. Details of three types of respons
January 1997 geomagnetic storm. (B) A dram(C) A !100 nT storm in February 1998 with高エネルギー電子は衛星構体を貫通、衛星内部に蓄積(深部帯電)耐電圧を越えると放電、ハード・ソフト両方にダメージ

大気加熱・ GIC

磁気嵐 /強いサブストーム
大気加熱・膨張

2000年7月太陽面爆発・強い磁気嵐発生→電離圏に強いオーロラ電流→大気加熱・膨張→大気摩擦→あすか衛星制御不能

X線天文衛星あすか

NICT Hiraiso

SOHO衛星による撮像
http://www.solarstorms.org/
http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp©JAXA/ISAS

高緯度域（オーロラ帯）に強い電流が流れる

GIC（地磁気誘導電流）
大規模磁気嵐
→電離圏に強いオーロラ電流→強い誘導電流→変圧器のダメージにつながる
http://www.solarstorms.org/

1989年3月13-14日カナダケベック州での大停電
9時間にわたる変圧器ダメージ600万人に影響、復興に数ヶ月
2003年10月30日スウェーデン・マルメでの停電
約5万人に影響

1989年3月に発生した過去50年間で最大級の強い地磁気嵐伴う誘導電流のために焼損した米国
ニュージャージー州の発電所のトランス＊オーロラ帯の電流だけではなく、磁気圏電流で誘導されることも。

https://smd-prod.s3.amazonaws.com/
Photos courtesy of PSE&G (https://science.nasa.gov/)

磁気圏擾乱の影響
磁気嵐
サブストーム

放射線帯変動地磁気誘導電流

表面帯電

深部帯電

大気加熱

電力システムオーロラ

衛星運用＊電離圏への電磁エネルギー流入は電離圏変動の主要因の一つ

K指数と地磁気擾乱レベル
K指数：気象庁地磁気観測所
地磁気活動が静かな日の日変化曲線からのずれの程度を準対数目盛で0-9の10階級で分類・3時間値

気象庁地磁気観測所
茨城県柿岡のデータ

予報情報

NICT宇宙天気予報の地磁気擾乱レベル

気象庁地磁気観測所による柿岡の観測値（K指数）を地磁気擾乱
レベルの基準にしています。

レベル

表記

説明

1

静穏

地磁気K指数（柿岡）の最大値が４未満

2

やや活発地磁気K指数（柿岡）の最大値が４3

活発地磁気K指数（柿岡）の最大値が５4

非常に活発地磁気K指数（柿岡）の最大値が６5

猛烈に活発地磁気K指数（柿岡）の最大値が７以上

放射線帯電子レベル

予報情報

レベル

表記

説明

1

静穏

高エネルギー電子（>2 MeV）の24時間フルエンスが 3.8 x 107 [/cm2 sr] 未満

2

やや高い

高エネルギー電子（>2 MeV）の24時間フルエンスが 3.8 x 107 以上 3.8 x 108 [/cm2 sr] 未満

3高い

高エネルギー電子 (>2 MeV) の24時間フルエンスが 3.8 x 108 以上 3.8 x 109 [/cm2 sr] 未満

4

非常に高い

高エネルギー電子 (>2 MeV)の24時間フルエンスが 3.8 x 109 [/cm2 sr] 以上

https://swc.nict.go.jp

オーロラミニ知識

オーロラ発光（ミクロの世界）イメージ（酸素原子）
磁気圏から降込んでくる電子

衝突

電子が高いエネルギー準位へ移動(外側の軌道へ)
励起状態

電子
原子核
電子軌道

エネルギー準位の差に相当する波長の光が放出（輝線）酸素原子：630.0nm, 557.7nm
窒素分子：427.8nm

発光

電子が元のエネルギー準位に戻る時…

オーロラの色・高度00UT(真夜中) 緯度65度

e-

地上からの高度[km]

磁気圏から降込む電子はエネルギーが高いほど低高度まで達する

密度[cm-3] 10-1~100eV>200km:
大気密度が低い。主に酸素原子。
低エネルギー電子が酸素原子を励起。

~keV

100-200km:
大気密度が高い。主に酸素原子。
高エネルギー電子が酸素原子を励起。

O 630nm

O 557.7nm
O+
eO2+
NO+

O2

104

109

N2 427.8nm
1014~10keV

90-100km:
大気密度がとても高い。窒素分子が多い。
非常に高エネルギーの電子が窒素原子を励起。

1019

背景写真：Wikipediaより

オーロラが見える場所
開いた磁力線

閉じた磁力線

太陽風磁場が強い南向き↓
多くの磁力線が開く↓
オーロラ帯が低緯度へ移動

プラズマシート
オーロラを光らせる
プラズマの貯蔵庫

太陽風

極冠域

オーロラ帯

https://www.nasa.gov
磁気緯度：60-70度(北欧、カナダ、南極大陸….)

Hughes [1991] (in Kivelson and Russel)より抜粋・編集

日本でオーロラが見えるのは…
開いた磁力線

閉じた磁力線

太陽風磁場が強い南向き↓
多くの磁力線が開く↓
オーロラ帯が低緯度へ移動

プラズマシート
オーロラを光らせる
プラズマの貯蔵庫

太陽風

極冠域

オーロラ帯

https://www.nasa.gov
磁気緯度：60-70度(北欧、カナダ、南極大陸….)

Hughes [1991] (in Kivelson and Russel)より抜粋・編集

磁気圏編：まとめ
磁気嵐
サブストーム

放射線帯変動地磁気誘導電流

表面帯電

深部帯電

大気加熱

電力システムオーロラ

衛星運用＊電離圏への電磁エネルギー流入は電離圏変動の主要因の一つ