電離圏情報サービスの活用法について

石井守・久保田実
Space Environment Group, NICT
National Institute of Information andCommunications Technology
1本日のお話	
• 電離圏が電波利用アプリケーションに与える影響• 電離圏の観測について• NICTの電離圏観測情報サービス
最近の電離圏概況
7/22皆既日食の際の電離圏応答

電波伝搬に影響する様々な電離圏擾乱	
通信・放送への障害	 スポラディックE
 突発性電離圏擾乱（デリンジャー現象）	
 電離圏嵐– ポジティブストーム
衛星等の大気ドラッグ– ネガティブストーム	
への影響	 プラズマバブル、SED	
衛星運用、衛星観測
 赤道異常の日日変化 etc	 への障害	
衛星測位電波の遅延、受信障害	プラズマバブル
F層の電子密度が急減する現象。日没後の早い時間に磁気赤道付近で発生し、東にドリフトする。発達したプラズマバブルは、日本でも観測される。
衛星測位の精度悪化や、ロック損失を引き起こす場合がる。

Plasma Bubbles observed with Jicamarca
radar [Kelley et al., 1981]2000年3月に山川電波観測施設で観測されたプラズマバブル（右上）衛星測位の誤差要因	

電離圏の影響が大きい	

• 観測	• シミュレーションによる検証	
• ニューラルネット等を用いた予測• Webサイト等を用いた情報発信本日のお話	
• 電離圏が電波利用アプリケーションに与える影響• 電離圏の観測について• NICTの電離圏観測情報サービス
最近の電離圏概況
7/22皆既日食の際の電離圏応答

NICTの電離圏観測ネットワーク	

▲ Ionospheric observation
in Southeast Asia

▲ Ionospheric observation at Syowa Station, Antarctica

We develop a monitoring system of Earth’s ionosphere, and prediction
technologies of ionospheric disturbances that greatly affect radio propagation forbroadcast and telecommunications, or degrade positioning accuracy of GPS.

基本観測・電離圏垂直観測（イオノゾンデ）	

Observation
mode

Vertical/obliqueTransmission
Power10kW

Observing(sweep)frequency

1-30 MHz

Observing height60-1500km

Intensity
resolution

8 bit

Observinginterval

15 minutes

Cyclic frequency

100 HzStep of frequency 20 Hz
pulse width

80 μs

foF2

Critical frequency of F2 layer
is a kind of ionosphere proxy.	

南極における電離圏観測	
• NICTは1957年より南極昭和基地における電離圏観測を継続して実施。
• 現在の観測項目は、電離圏垂直観測、リオメータ観測とオーロラレーダ観測。
• 更に、GPSシンチレーション観測を計画中。 	

南極の電離圏観測の長期データプロット →GPS-TECの観測	長波電波観測（しらせ船上観測）	
【概要】電離層定常観測の目的の一つである極域での電波伝搬の基礎資料取得の一環として、高精度長波電界強度測定機を開発し、しらせ船上において長波電界強度測定を実施する。	
【背景】電波時計の普及等に伴い世界的に長波標準電波局が増加しており、その間の電波干渉による障害が懸念されている。このためITU-Rでは、長波送信が周辺諸国にどのように影響するかを評価するための勧告改定案が議論されているが、実際の観測データが不足しているため採択には至っていない。昭和基地、および昭和基地に至る航路は南北方向の長波超長距離伝搬が観測できる貴重な位置にあり、平成１９〜２０年度に実施した南極航路における試験観測の解析結果に各国の関心が高まっているが、試験観測に使用したプロトタイプ測定器の感度不足などから十分なデータが得られておらず、高精度の測器を用いた更なる観測の実施が待たれている。	
【観測計画】H21年度に高精度計測器の開発を始め、51次隊のしらせにおいてテスト観測、52次隊、53次隊のしらせにおいて本観測を実施したい。	

長波標準電波は現在日本のほかに、中国、ドイツ、スイス、イギリス、ロシア、フランス、アメリカで送信しており、また、アジア諸国でも関心が高まっている。	

長波標準電波は電離層と地上の間を何度もホップし遠方に伝わる。	

長波電界強度プロトタイプ測定機	

本日のお話	
• 電離圏が電波利用アプリケーションに与える影響• 電離圏の観測について• NICTの電離圏観測情報サービス
最近の電離圏概況
7/22皆既日食の際の電離圏応答

NICTの電離圏観測情報サービス	

URL: http://wdc.nict.go.jp/IONO/

Ionogram <= image data from ionosonde
http://wdc.nict.go.jp/IONO/index_E.html	
observations

観測結果：7⽉月11⽇日の午前中に観測された
九州地⽅方でのロック損失	  2009	  Jul	  11,	  9:20	  JST	  (0:20	  UT)	  TEC	  TECの短周期変動	  ロック損失率マップ	  電離圏嵐の予測

国内イオノグラム観測概況 2009/03-2009/08• ４月の下旬以降現在までEsが活発である。
このためF領域の情報は不明が多い。数少ない情報から今期間のF領域を推察すると、昨年同様foF2は低い。
• Fminは低く、山川、稚内で日中でも2MHz以下、沖縄のみ3MHzになる日があるが、例
年に比べて少ない。

国内イオノグラム観測概況 2009/03-2009/08

このデータはNICT電離圏観測データ公開サイト（データアーカイブ→イオノゾンデ定常観測→長期変動プロット-サマリイオノグラム）で確認できます。
http://wdc.nict.go.jp/cgi-bin/print/manual_src/m_kdps/m_kdps

国内イオノグラム観測概況 2003年との比較

このデータはNICT電離圏観測データ公開サイト（データアーカイブ→イオノゾンデ定常観測→長期変動プロット-サマリイオノグラム）で確認できます。
http://wdc.nict.go.jp/cgi-bin/print/manual_src/m_kdps/m_kdps

電離圏嵐速見表 2009/01-2009/08

このデータはNICT電離圏観測データ公開サイト（データアーカイブ→イオノゾンデ定常観測→電離圏嵐速見表）で確認できます。
http://wdc.nict.go.jp/IONO/contents/J018_Storm.html

電離圏嵐速見表 2003年との比較
foF2 – foF2 (median) [MHz]"Red = Positive trend"
Blue = negative trend	

Ionospheric storms occur during solar
maximum.	

国内TEC概況（月平均子午線分布）、2000年との比較
2000/04	

2009/04	

2009/05	

2009/06	

2009/07	

2009/03	

このデータはNICT電離圏観測データ公開サイト（データアーカイブ→ GPS受信機網/全電子数月別平均的分布）で確認できます。
http://wdc.nict.go.jp/IONO/monthly-mean-TEC-distribution/index.html

7/22皆既日食の際の電離圏応答• 国内イオノゾンデ
強いEs層のため、概して日食の効果は見えにくかった。fminと、山川でかろうじて読み取れたfoEに日食効果が見て取れた。
• 国内TEC
TECマップには日食の効果が、はっきりと表れた。しかし、心配された近範囲のロック損失は発生しなかった。

山川	

沖縄	

観測結果：GPS全電⼦子数変動（60分ハイパス）	  観測結果：電離圏イレギュラリティ指数（ROTI)	  9	  JST	  (0	  UT)	  2009	  Jul	  20	  Jul	  21	  Jul	  22	  (⽇日⾷食)	  10	  JST	  (1	  UT)	  11	  JST	  (2	  UT)	  12	  JST	  (3	  UT)	  観測結果：GPS信号ロック損失率（L1、5分間）	  9	  JST	  (0	  UT)	  2009	  Jul	  20	  Jul	  21	  Jul	  22	  (⽇日⾷食)	  10	  JST	  (1	  UT)	  11	  JST	  (2	  UT)	  12	  JST	  (3	  UT)	  日食の電離圏への影響関連Webサイト	
• NICT 宇宙天気＆皆既日食
http://ecl09sim.nict.go.jp/index_sokuho.html• NICT 準リアルタイム国内電離圏観測
http://wdc.nict.go.jp/IONO/
SolarEclipse2009/• GEONET-TEC

http://stegps.kugi.kyoto-u.ac.jp///figs/MAP/2009/203_2009/index.html

資料	

WDS for Ionosphere• Established on IGY year 1957
• Archiving mainly ionospheric verticalsoundings of four Japanese and 141
worldwide stations.
• Items of ionospheric data–––––––

Ionospheric vertical soundingsTodside soudings
Oblique Incidence Soundings
Absorption
Ionospheric drifts and backscatter
Whistlers and VLF
Atmospheric Radio NoiseData Exchange• We publish annual data book and data list and send
to 180 organizations of Japan and overseas.
• We receive and archive data books from 30organizations.
• It was not enough to exchange digital data ofionosphere and we need to promote it. We discuss
digital data exchange with NOAA/NGDC and now try
to solve some technical issues (data server space,security, etc.)

NICTの電離圏観測ネットワーク	

▲ Ionospheric observation
in Southeast AsiaASI (NICT)FPI (STEL)	

▲ Ionospheric observation at Syowa Station, Antarctica

We develop a monitoring system of Earth’s ionosphere, and prediction
technologies of ionospheric disturbances that greatly affect radio propagation forbroadcast and telecommunications, or degrade positioning accuracy of GPS.

大気光イメージャを用いた電離圏観測	
Excitation mechanisms of airglowemissions	OI630.0-nm (Red Line)

All-sky Imager	

O+ + O2 → O2+ + O
O2+ + e → O (1S, 1D) + O (1D, 3P)
O(1D) → O(3P) + hν (630.0-nm) [177 sec]

OI557.7-nm @ F region
O(1S) → O(1D) + hν (557.7-nm) [1 sec]

OI777.4-nm
O+ + e → O(5P)
O(5P) → O(5S) + hν (777.4-nm) [<< 1 sec]

イオノゾンデ、GPS-TEC、大気光イメージャによる（29 Jan. 2006）	
プラズマバブル観測例

PlasmaDepletion	

Enhancemen
t of ROTI(EOR)
appeared in

GPS-TEC	
PlasmaDepletion
appeared in

ASI Images	

○	
○	

×

Bottom-side Plasma
Depletion (BPD)○

Enhancement
Plasma Depletionof ROTI	

Spread-F	○	×Bottom-side Plasma
Depletion (BPD)○	○

Plasma Bubble (PB)

SEALION等観測概況 公開URL・SEALION ホームページ	http://wdc.nict.go.jp/IONO2/SEALION/（※このページのリンクから各種観測データのQLが閲覧可）	
・SEALION イオノゾンデ サマリプロット	
http://wdc.nict.go.jp/IONO2/SEALION/ALLFC/summary/plot/
・SEALION GPS-TEC、ROTI
チェンマイ：http://wdc.nict.go.jp/IONO2/THAI-GPS/CMU/ROTI/
チェンポン：http://wdc.nict.go.jp/IONO2/THAI-GPS/CPN/ROTI/
コトタバン：http://wdc.nict.go.jp/IONO2/KTB-GPS/ROTI/（※コトタバンデータは北大から提供）	
・HF-TEP
http://wdc.nict.go.jp/IONO/TEP/・GEONET-TEC リアルタイム観測	
http://wdc.nict.go.jp/IONO/SolarEclipse2009/realtimeGPS/ALLMAP/index.html（※ URLは変更予定）	

03

Dst index

現象報告会/20090722 磁気嵐	0-50-10020090722

昼間のデータ欠落部はEs層等の影響によるもの	
8UT付近で静穏日に比べて密度増加	

2UTにF3層が存在→2UT-3UTでの高度現象は下部F2層での生成が原因かも?

5UT付近で静穏日に比べて高度が低い?

原因に関しては、EEJ等から類推される電場、及び低緯度のF2パラメータとの比較が必要	7/22 日食、磁気嵐	
• 2009/07/20-23
太陽風（ACE）	

TEC（43度）	

TEC（35度）	

TEC（27度）	

日食	

磁気嵐	

観測結果：全電⼦子数の時間変化	  45 N	  41 N	  37 N	  33 N	  29 N	  最⼤大⾷食分時＠29 N	  観測結果：GPS全電⼦子数	  9	  JST	  (0	  UT)	  2009	  Jul	  20	  Jul	  21	  Jul	  22	  (⽇日⾷食)	  10	  JST	  (1	  UT)	  11	  JST	  (2	  UT)	  12	  JST	  (3	  UT)	  観測結果：GPS全電⼦子数変動（60分ハイパス）	  9	  JST	  (0	  UT)	  2009	  Jul	  20	  Jul	  21	  Jul	  22	  (⽇日⾷食)	  10	  JST	  (1	  UT)	  11	  JST	  (2	  UT)	  12	  JST	  (3	  UT)	  イベント期間の特徴 7月22日 皆既日食、磁気嵐• 7/22の日食、磁気嵐イベントでは、日食の影響によるTECの減少が見られ、ほぼ同時に（やや時間がずれて？）磁気嵐によるポジティブストームが見られた。
ポジティブストームの要因については、沖縄〜稚内まで発生していることから、磁気圏電場の侵入による赤道異常帯の拡大というよりは、熱圏風の向きが赤道向きに強くなったことによる可能性が高そう。但し、夕方の時刻（０９UT頃）のTEC増大には電場が関与しているかもしれない。