第14回宇宙天気ユーザーズフォーラム 2019年11月11日（月）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
⻄岡未知本講座の内容• 基礎編
電離圏の基礎知識
NICTにおける電離圏定常観測（2種類）• 応⽤編
電波伝搬の経路
電波伝搬に影響を与える電離圏現象（3種類）電離圏の基礎知識
 「電離圏」は宇宙の⼊り⼝。⾼さ80km800kmの範囲。
 地球が直径1mの球とすると・・・
太陽︓約12km先にある直径110m球（東京ドームのグランド部分の広さ）
⽉︓約30m先にある直径27cm球
静⽌衛星︓約3m先
電離圏︓約8mm-8cmに浮かぶ球殻宇宙からみた電離圏

もう少し詳しく、電離圏について
電離圏には何がある︖
電離⼤気。酸素原⼦・酸素分⼦・窒素分⼦が太陽紫外線のエネルギーを受けて電離、電離⼤気となる。

電離圏の構造は︖
電⼦密度の違いによって下から「Ｄ領域」「Ｅ領域」「Ｆ領域」と名前がつけられている。F領域（F2領域）で電⼦密度が最⼤となる（⾼さ300km）。

電離圏の変動について
原則、⽇中・低緯度は電離⼤気密度が⼤きく、夜間・⾼緯度は⼩さいが、⼤きな⽇々変動や、不規則な激しい乱れもある。

NICTにおける電離圏観測①イオノゾンデ

1-30MHzを掃引し送信。



送信された電波はその周波数と電離⼤気密度に応じて反射され、地上で受信される。



受信された電波はイオノグラ
ムに記録され、臨界周波数等の電離圏のパラメータが求められる。



現在は、北海道・東京・⿅児島・沖縄の4観測点でそれぞれ15分毎に観測している。

Ｆ層最⼤密度

Ｆ層臨界周波数（foF2）

NICTにおける電離圏観測①イオノゾンデ

各観測所のイオノグラムはリアルタイムでNICT（⼩⾦井）に転送され、⾃動で主要パラメータを読み取り、宇宙天気予報に活⽤している（http://swc.nict.go.jp/trend/ionosphere.html）。
I-scale（電離圏嵐指標）

NICTにおける電離圏観測②GPS

経路上のTECを測定

 GPS衛星から送信される電波は、その周波数と電離⼤気密度に応じて伝搬速度が遅くなる。この性質を利⽤し、GPS受信機と衛星を結ぶ経路に沿って積分した単位⾯積当たりの全電⼦数（TEC）を測定する。
 TECは単位⾯積を持つ鉛直の仮想的な柱状領域内の電⼦の総数で、⼀般的にTEC Unit（TECU） = 1016/m2で表される。

NICTにおける電離圏観測②GPS

 国⼟地理院のGEONET（約1,240点のGPS受信機網）を⽤い、⾼時間/空間分解能のTECマップを定常的に作成している。
 TEC擾乱指数マップやGPSロック損失マップ等を準リアルタイムでWeb公開している。 [http://seg-web.nict.go.jp/GPS/GEONET]

国⼟地理院GEONETのGPS
受信機分布図 (約1,240点)

2014年5⽉24⽇ 16JST
における全電⼦数マップ

NICTにおける電離圏観測②GPS

準リアルタイムのTEC値は、イオノゾンデ観測結果と同様、6⽇分のプロットがWebで閲覧可能。
（http://swc.nict.go.jp/trend/ionosphere.html）。
I-scale（電離圏嵐指標）本講座の内容• 基礎編
電離圏の基礎知識
NICTにおける電離圏定常観測（2種類）• 応⽤編
電波伝搬の経路
電波伝搬に影響を与える電離圏現象（3種類）電波の伝搬経路と電離圏
⽤途

船舶・航空通信
標準電波

⻑波(LF)

30-300kHz

伝搬経路

短波放送

AM放送

中波(MF)

300kHz-3MHz

短波(HF)
3-30MHz

防災・消防・鉄道無線
FM放送・航空管制

GNSS・衛星通信

超短波(VHF) 極超短波(UHF)30-300MHz

300MHz-3GHz

導波管伝搬
電離圏伝搬

導波管伝搬
電離圏下部と地表の間を何度も反射し進む。

⾒通し内伝搬

⾒通し内伝搬
電離圏を透過して伝搬する。

電離圏伝搬
電離圏D・E・F層で電波が反射し、遠距離まで進む。

電波伝搬障害の要因となる電離圏現象
⽤途

船舶・航空通信⻑波(LF)

30-300kHz

伝搬経路

短波放送

AM放送

標準電波

中波(MF)

300kHz-3MHz

短波(HF)
3-30MHz

防災・消防・鉄道無線
FM放送・航空管制

GNSS・衛星通信

超短波(VHF) 極超短波(UHF)30-300MHz

300MHz-3GHz

導波管伝搬
電離圏伝搬

⾒通し内伝搬

電離圏嵐デリンジャー現象
スポラディックE層
プラズマバブル
⾚道異常電離圏嵐（正相嵐）
主に磁気嵐が原因で電離圏に電場がかかり、電離⼤気の量が定常状態よりも増加する現象。IP3（IP2）レベルの正相嵐は1年（1ヶ⽉）に1回ほど起きる。
【通常の電離圏伝搬】

正相嵐の例（2004年11⽉）

UHF

磁気嵐の指数（Dst, K指数）

IP3

IP3

GPSの観測TEC

IP2【正相嵐発⽣時】
UHFIP2
イオノゾンデfoF2

IP3

IP3位相の変化

電離圏嵐（正相嵐）2017年9⽉の磁気嵐時、GPS測位に最⼤15m（上下⽅向）の誤差が発⽣した。
⽇本上空の全電⼦数

GPS⼀周波による測位結果

国⼟地理院
発表資料より電離圏嵐（負相嵐）
主に磁気嵐が原因で、⼤気の組成が変化し、電離⼤気の量が定常状態よりも減少する現象。IN3(IN2)レベルの負相嵐は１年（1ヶ⽉）に1回程度起きる。
負相嵐の例（2002年5⽉）【通常の電離圏伝搬】

F2層
F1層
E層
D層

磁気嵐の指数（Dst, K指数）

LF MF

【負相嵐発⽣時】

GPSの観測
TEC

IP3
IN2

イオノゾンデfoF2

HF

IN3IP2

F2層
F1層
E層
D層

LF MF

HF

デリンジャー現象
太陽フレア起源のX線により電離圏D層の電⼦密度が急増し、D層に短波電波が吸収されてしまう現象。M5以上のフレアで発⽣の傾向。
【デリンジャー現象⾮発⽣時】
F2層
F1層

D層

E層
D層

LF

LF MF

HF

LF MF

HF

【デリンジャー現象発⽣時】
F2層
F1層
E層
D層

D層

LF

スポラディックE層
⾼度100ｋｍ付近で電離⼤気密度が増加する現象。発⽣頻度は太陽活動度とは無関係で、毎年主に夏季に頻発する。
【Eスポ⾮発⽣時】
F2層
F1層
E層
D層

LF MF

HF

VHF

【Eスポ現象発⽣時】
F2層
F1層
E層
D層

スポラディックE

スポラディックE

HF

VHF

電離圏嵐・デリンジャー・Esの発⽣状況
宇宙天気予報センターのWebページ[http://swc.nict.go.jp]で、電離圏嵐/デリンジャー/Eスポの発⽣状況および予測情報を公開中

最後に• 宇宙の⼊⼝である電離圏では、電波伝搬に影響を与える現象が頻発している。
導波管伝搬（主にLF）
電離圏嵐
デリンジャー現象
スポラディックE層✔

電離圏伝搬（主にMF-HF）

⾒通し伝搬（主にVHF-UHF）

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• NICTでは、イオノゾンデとGPSの定常観測によりこれらの現象の監視を⾏い、Webページで情報提供している。
• Web配信での情報にリクエストなどあれば、本⽇の配布のアンケート⽤紙やメール（iono@ml.nict.go.jp）でご連絡下さい。