特集

宇宙天気予報特集

3-4-3 南極・昭和基地における電離圏の長期デー 特集
タ解析
3-4-3 Long-term Data Analysis of Ionosphere over Syowa
Station, Antarctica
元場哲郎
MOTOBA Tetsuo
要旨
電離圏とは、高度約 60 km 以上に位置する電子や陽子で構成された弱電離プラズマ領域である。電離圏観測装置の 1 つであるイオノゾンデは、短波帯（HF 帯：1 − 30 MHz）の電波を上空に周波数を変えながら連続的に送信し、電離圏から返ってくる反射波を受信することで、電離圏の電子密度や見かけ上の高さの振舞を地上からモニタリングすることができる。代表的なパラメータである F2 層臨界周波数（foF2）は、電離圏 F 層領域の最大電子密度に対応している。本稿では、1959 年から 2002 年
において、南極・昭和基地（南緯 69.0˚、東経 39.6˚）でほぼ連続的に定常観測されてきた foF2 の長期間データベースを基に、南極域での様々な電離圏 F2 層の振舞い（季節変化、地方時変化の太陽・地磁
気活動依存性、更には数 10 年スケールに及ぶ長期的変化傾向など）について述べる。

The Earth's ionosphere is a partially ionized gas (electrons and ions) that forms several
regions between the atmosphere and space over about 70 km height. The ionosonde is one of
the radar techniques to monitor the ionospheric electron density as a function of height. The
ionosonde transmits HF radio wave (1-30 MHz) vertically and receives echoes reflected fromthe various ionized layers. The F2-layer critical frequency (foF2), which is a principal parameterobtained from the ionosondes, corresponds to F2-layer peak electron density. In this study, we
present ionospheric F2-layer variability (in particular, solar/geomagnetic activity dependence ofthe local time and seasonal behavior, and a long-term trend) over Syowa Station (69.0˚S,
39.6˚E), Antarctica, on the basis of long-term ionospheric database in 1959-2002.
［キーワード］電離圏変動，イオノゾンデ，F2 層臨界周波数，昭和基地
Ionospheric variability, Ionosonde, foF2, Syowa Station

1 まえがき呼ばれる領域が出現し、F 層も冬季を除く昼間には F1 層（高度 130 〜 210 km）、F2 層（高度 210

地球の高層大気には、高度約 60 km 以上のとこ〜 1000 km）の 2 つに分かれる。基本的な電離圏

ろに高い電気伝導度をもった領域が存在する。こプラズマ構造は、太陽放射（特に EUVや X 線）にれは太陽の極端紫外線（extreme ultraviolet：EUV,

よる生成機構、光化学過程による損失機構、イオ

波長 10 〜 120 nm）や X 線によって大気が電離さ

ンと電子の再結合、重力、拡散、電磁気力によるれるためであり、「電離圏（ionosphere）」と呼ばれて輸送機構などのバランスによって決まる。しかしいる。電離圏は、電子密度の高度分布に従ってい

電離圏とは言え、その電子密度は周りの中性大気

くつかの層に分類されており、おおよそ高度 90 〜

密度に比べて圧倒的に少なく（約 0.1 ％以下）、
「弱130 kmを E 層、130 〜 1000 kmを F 層と呼ぶ。昼

電離プラズマ領域」と言える。そのため、電離圏

間には E 層の下層域（高度 60 〜 90 km）に D 層と変動には中性大気の運動が大きな役割を担ってい

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る。電離圏は、上層からの影響（太陽活動、地磁

foF2 は、F2 層電離圏電子密度の最大値（NmF2）

気活動など）や下層からの影響（潮汐波、重力波、

2［foF2（MHz）］とと、NmF2（m−3）≈ 1.24 ×1010 ×

プラネタリー波など）も受けるため、それらの影いう関係で表わすことができる。

響の重ね合わせ効果によって複雑な時間、地域、
季節変動を示す。

1 9 5 7 〜 5 8 年 の 国 際 地 球 観 測 年（ I G Y ：International Geophysical Year）を機に、南極・昭イオノゾンデ（ionosonde）による電離圏観測は、

和基地ではイオノゾンデによる電離圏の定常観測

歴史も長く、電離圏電子密度変動をモニタリング

がほぼ連続的に行われている。現在に至るまで、する最も簡易な手法として、現在でも世界各地で約半世紀分のイオノゾンデデータが蓄積されてお行われている［1］。イオノゾンデは、短波帯周波数

り、南極域電離圏の長期的な変動をモニターする（1 〜 30 MHz）のパルス電波を掃引しつつ送信し、基礎データの 1 つとして重要な役割を担ってい電離圏で鏡面反射したエコーを観測する一種のる。本稿では、1959 年から 2002 年における、南レーダーで、電離圏サウンダー（ionospheric

極・昭和基地（南緯 69.0˚、東経 39.6˚）でのイオノ

sounder）とも呼ばれている。イオノゾンデにより、ゾンデ長期観測データを基に、オーロラ帯域におエコーの遅延時間から電波の反射高度が求まる

ける様々な電離圏変動について述べる。特に、が、電離圏中を進む電波の群速度が光速よりも小foF2 から昭和基地上空の電離圏 F2 層電子密度にさいため、遅延時間と反射高度の関係はそれほどおける季節変化・地方時変化の太陽・地磁気活動

単純ではない。例えば、周波数 f のパルス電波にによる影響などに加え、数 10 年スケールにおけ

ついて、エコーの遅延時間の半分（反射点までのる長期的変化傾向（トレンド）について述べる。現伝播時間）に光速を乗じた値 h（ f ）を見掛けの反在、社会的にも深刻な問題となっている人為起源

射高度とすれば、h（ f ）は真の反射高度 h（ f ）よりによる地球温暖化やそれに伴う様々な地球規模でも高くなる。また、送信する電波には右旋と左旋の環境変化・破壊。それらの間接的な影響が、昭の偏波の違いにより、臨界周波数（突抜け周波数）

和基地上空の電離圏高度でどのように（または、が電子プラズマ周波数に一致するものと、磁場のどの程度）現れるかについても、数 10 年スケール

影響で電子プラズマ周波数よりも高いものがあにおける電離圏長期トレンド解析から検証する。

り、前者を正常波モード（O - mode：ordinarym o d e ）、 後 者 を 異 常 波 モ ー ド（ X - m o d e ：extraordinary mode）と呼ぶ。イオノゾンデでは、

2 南極・昭和基地での様々な電離圏
変動

右旋と左旋の結合した直線偏波が用いられる。
イオノゾンデは、周波数を低いものから高いも

2.1

太陽活動サイクルとの関係のへ変化させながらパルス電波を順次鉛直方向に

本節ではまず、昭和基地におけるイオノゾンデ送信するため、各周波数に対応する電子密度の高で観測された長期データセットについて述べる。

度からエコーを得ることができる。地上から観測

15 分毎の観測からイオノグラムと呼ばれる周波できる高度は、電離圏電子密度が最大となる高度

数−高度プロファイルを生成し、そのプロファイ（200 〜 400 km）より下側になる。電離圏で反射

ルから foF2 などの各層の電離圏パラメータを得したエコーが得られる最大周波数（臨界周波数）は、ることができる。図 1 には、1959 年から 2002 年

最大電子密度に対応し、これより高い周波数の電における昭和基地での 1 時間値 foF2 データの、

波は電離圏を突き抜けてしまう。受信エコーの遅

各地方時に対する年間データ取得率（％）を示して延時間を周波数 f と見掛けの反射高度 h（ f ）の関いる。もし仮に foF2 データがある地方時で 1 年

係で表したものを、イオノグラム（ionogram）と呼間（365 日）連続観測されると、その取得率はぶ。イオノグラムからは、正常波モードに対応し100 ％となる。図中の 1962 年から 1968 年までのた F2 層の臨界周波数（foF2）、正常波モードの見データが連続していない部分は、観測停止などに掛けの反射高度の最低値（h F2）、昼間では F1 層伴うデータ欠損である。また 1997 年以降、全地及び E 層の臨界周波数や見掛けの反射高度の最方時を通してデータ取得率が向上しているのは、

低値などを直接的に読み取ることができる。特に観測機器がアナログ方式（フィルム記録）からデジ

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図1

1959 年から 2002 年における昭和基地
での 1 時間値 foF2 データの各地方時に対する年間データ取得率（%）

図2

昭和基地における正午付近（11 〜 13時）の foF2 の月中央値と F10.7 の長期変動の比較

図3

foF2 と F10.7 との関係を表した散布図

タル方式に移行し、データ受信感度がより高くなったためである。この図からもわかるように、
foF2 のデータ取得状況は各年、各地方時で大きく変動する。昼前から夕方過ぎ（約 10 〜 20 時）におけるデータ数は安定して多く（取得率 60 ％以上）、
真夜中前から明け方（約 22 〜 06 時）ではデータ数が少なくなる傾向を示し、夜中側では取得率が20 ％を割る期間もある。夜間におけるデータ取得
率減少の主な原因は、F 層の電子密度がイオノゾ
ンデの測定限界以下に下がってしまうか、若しく
はオーロラ活動に伴う高いエネルギー（10 keV 以上）を持った荷電粒子の降り込みによって電離圏下部（特に D 層）の電子密度が異常増加し、F 層した。太陽極大期には電離圏高度全体が上昇し、に届く電波が電離圏下部で吸収され全く反射波のF 層高度の観測が効率よくできるのに対して、太無い、いわゆるブラックアウトによるものと考え

陽極小期には電離圏高度が下降するため、特に夜られる。また、夜間極域のオーロラ活動に伴って間における F 層高度の観測が困難になる。その現れる E 層付近の異常電離現象、オーロラスポ

ため、太陽極小期においてデータ取得率が減少しラディック E（auroral sporadic E；オーロラ Es）ていると考えられる。

によって F 層に到達すべき電波が散乱されるこ

図 2 に、南極・昭和基地における正午付近（11とも、しばしば F 層観測ができなくなる大きな〜 13 時）の foF2 の月中央値（赤線）を用いて、要因となっている。図 1 の下に、F10.7 太陽電波

1959 年から 2002 年までの foF2 の長期的な変動のフラックス（白線）の年平均値の長期変動を示す。

様子を示す。また、図 2 の下に F10.7 太陽電波フF10.7 は、波長 10.7 cm（2.8 GHz）の太陽電波フラックス（青線）の月平均値の長期変動を示す。こラックス強度（1 太陽フラックスユニット（SFU）＝の図から、foF2 の長期変動が、約 11 年の周期で

− 22

−2

−1

Wm Hz ）であり、太陽 EUV 放射の変動を

極大・極小期を繰り返す規則的な太陽活動サイク表す代表的な指標の 1 つである。F10.7 が高い期

ルと正の相関で同期して変動する様子が見てとれ

間は太陽極大期、低い期間は太陽極小期に対応する。この結果は、太陽極大期（極小期）におけるる。F10.7 と昭和基地における foF2 データ取得

EUV 放射量の増加（減少）によって、電離圏 F 層率を比較すると、太陽活動極大期の方が極小期比

電子密度の生成量が増加（減少）していることを表べ、全地方時でデータ取得率が高くなる傾向を示

している。

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次に、横軸 F10.7、縦軸 foF2 の散布図を示す

バランスによってのみ決まるためである。一方、（図 3）。赤色の直線は、Y ＝ a X＋b の回帰直線

F2 層電子密度の日変化は E 層のように単純では（a ＝ 0.026, b ＝ 2.931）を示しており、両者間の相なく、より複雑な変化をする。これは、F2 層電関係数は 0 . 896 であった。また青丸は F10 . 7を子密度の構造が上記の生成・消滅機構に加え、熱15 SFU 毎に区分した時の foF2 の平均値であり、圏の中性大気の風系に大きく影響を受けるためで

エラーバーはそれぞれの分散である。図 3 からわある。F2 層電子密度の季節変化は、年変動や半かるように、F10.7 が約 180 SFU 以下においては、

年変動を示すことが知られている。季節変化にお多少のバラつきはあるものの、foF2と F10.7 はほ

いては、熱圏の中性大気の組成（特に、酸素原子

ぼ線形の関係を示す。しかし、F10.7 が約））の影響が重要になと窒素分子の比（［O］/［N2］

180 SFU 以上になると、F10 . 7 がいくら大きくる［6］。こうした中性大気による影響に加え、昭和なっても foF2 の増加量は小さく、ほぼ横這いに基地が位置するオーロラ帯では、中・低緯度域になる（サチュレーションを起こす）。このような、

比べ、磁気圏からの粒子・電磁エネルギー流入に

太陽活動指数（F10.7 や太陽黒点数）の高い値におよる影響も受ける。またこの他の影響として、下ける電離圏のサチュレーション効果については、層大気から伝わる重力波や潮汐波、大気乱流の変過去の研究によっても報告されている［2］−［4］。理化などが挙げられる［7］。

論的には、太陽 EUV 放射が増加すれば、それに図 4 の上段に、太陽活動の極小期（左図：伴って生成される昼間の F 層電子密度（foF2）はF10.7 ＜ 100）と極大期（右図：F10.7 ＞ 150）におけ

線形的に増加することが期待されるが、F10.7 のる、南極・昭和基地での foF2 の平均的な季節変高い値ではその線形関係が崩れている。この

化・地方時変化を示す。白いコンターは 0.5 MHz

F10.7 の値に対する電離圏サチュレーション効果

毎に描いている。また、黒の波線は、日の出と日は、赤道異常帯（equatorial anomaly region）周辺の入時間を示している。昭和基地は南半球であるでしばしば顕著になるという報告もある［4］。一方、

ため、11 〜 2 月が夏季、3 〜 4 月が秋季、5 〜

F10 . 7 と経験モデルや直接観測による太陽 EUV

8 月が冬季、9 〜 10 月が春季に対応する。それら

放射量を比較した場合、両者の関係は必ずしも線を考慮し、横軸の月を北半球の四季に合わせるよ

形ではなく、foF2 と同様に、F10.7 の高い値で太うに 6 カ月ずらしている。比較のために、日本の陽 EUV 放射量がサチュレーションを起こすとい中・低緯度に位置する北海道・稚内（北緯 45.2˚、［5］。この結果は、特にう結果も報告されている［3］、東京都・国分寺
東経 141.8˚；1960 年〜 2003 年）

太陽活動度が高い時の F10.7 値が、定量的に太陽（北緯 35.7˚、東経 139.5˚；1959 年〜 2003 年）のEUV 放射量をうまく反映していないということ

foF2 の平均的な季節変化・地方時変化を、それぞを意味する。つまり、電離圏のサチュレーション

れ図 4 の中段、下段に示す。稚内や国分寺では、効果が F10 . 7 そのものに起因していることとな

昭和基地とほぼ同期間の foF2 長期間データを使り、太陽活動と電離圏変動との関係を定量的に議用した。白いコンター間隔と黒の波線は、昭和基論する際には注意が必要となる。F10 . 7 以外に、地のフォーマットと同じである。稚内と国分寺により太陽 EUV 放射量を反映した指標についてのおける foF2 の主な振舞いは、以下の通りである。

詳細な説明は、2.3 で述べる。
① 太陽活動極大期・極小期に関わらず、06 〜
2.2

季節変化と地方時変化

18 時の季節変化は、春季
（3 月）
と秋季
（10 月）

本節では、南極・昭和基地における foF2 の季にピークを持つ半年変動を示す。一方、夜間

節変化・地方時変化について述べる。通常、比較の 18 〜 06 時では、夏季（5 〜 6 月）にピーク

的低高度の電離圏 E 層電子密度の日変化は、正を持つ年変動を示す。

午付近で最大となり、夜間になるにつれて低くな② 太陽活動極大期・極小期に関わらず、秋季、る。これは、オーロラ粒子降り込みによる影響が冬季、春季における地方時変化は、12 時付近

表れる高緯度域を除く地域において、E 層電子密でピークを示し、夜中になるにつれて低くな度の構造が太陽放射による生成と消滅（再結合）のる傾向を示す。

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図4

太陽活動の極小期（左図：F10.7＜100）と極大期（右図：F10.7＞150）における foF2 の平均的な季節変化・地方時変化（上段）南極・昭和基地、（中段）稚内、（下段）国分寺。

③ 稚内の夏季においては、06 〜 08 時と 18 〜化は、中低緯度と類似する点と類似しない点があ

20 時付近に 2 つのピークが現れる。太陽極る。図 4 から、特に大きな違いを挙げると、全体小期における国分寺の夏季も、ほぼ同様の変的に昭和基地での foF2 値が稚内や国分寺の foF2化を示す。

値よりも 7、8 割ほど低いこと、そして太陽活動④ 太陽活動極大期になると、国分寺の夏季だけ

極小期における変化傾向が全く異なっていることに顕著な 12 時付近のピークが現れ、真夜中である。昭和基地での foF2 の季節変化・地方時付近のピークとともに複数ピーク構造を形成

変化の主な特徴は、以下の通りである。

する。
① 太陽活動極小期の foF2 は、全般的に夏季に昭和基地における foF2 の季節変化・地方時変高く冬季になるにつれて低くなる年変動を示

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太陽活動の極小期（左図：F10.7＜100）と極大期（右図：F10.7＞150）における foE の平均的な季節変化・地方時変化（上段）南極・昭和基地、（中段）稚内、（下段）国分寺。

す。
② 太陽活動極大期の昼間における foF2 は、秋

季は約 10 〜 11 時、春季や秋季は 15 〜 16 時、
冬季は 13 〜 14 時で最大となる。

季（4 月）と春季（9 月）にピークをもつ半年変動を示す。
③ 太陽活動極大期の昼間における foF2 は、夏季よりも冬季の方が高い。

太陽活動極大期の昼間における foF2 が夏季よりも冬季の方が高い傾向は、異なる 3 観測点で共通している。これは、夏半球から冬半球への酸素④ 太陽活動極大期の夜間における foF2 は、夏原子の輸送によって引き起こる［O］/［N2］比の増

季に高く冬季に低くなる年変動を示す。

加によるものと考えられる［8］。一方、夏季におい⑤ 太陽活動極大期・極小期に関わらず、foF2 日ては電離生成に寄与する酸素原子密度が減少し、変化のピーク時間は季節によって変化し、夏消滅に寄与する窒素分子密度が増加するため、夏408

情報通信研究機構季報Vol.55 Nos.1- 4 2009

季の［O］/［N2］比が著しく減少する。また、F 層

した時に黒い点や塊のように見える部分のことで、

高度の酸素原子の季節変化は春季と秋季にピーク

単に黒点とも呼ぶこともある。実際にはこの部分を持つ半年変動を示し、太陽活動度が増加するとも光を放っているが、周囲よりも弱い光のため黒酸素原子密度も増加する傾向を示す。その結果とく見える。太陽黒点の温度は周りに比べて低く、して、太陽活動極大期における昼間の foF2 が夏

磁場が強い領域でもある。MgⅡは、紫外（UV）域

季に減少し春季と秋季にピークを持つ半年変動をのマグネシウム輝線の波長（280 nm 付近）の放射示すと考えられる。ただし、太陽活動極小期の昭量を指数化したデータである［10］。MgⅡデータは、

和基地でのみ、foF2 が冬季に比べて夏季に高くな異なる観測機器が搭載された異なる衛星によってる傾向が見られる。破線で示した日の出・日の入観測された太陽 UV 放射量データを結合することの時間と比較すると、太陽活動極小期に見られるによって、1978 年の 11 月以降から現在まで、約高い foF2 の時間帯及び季節が、ほぼ日照時間帯

30 年近くに及ぶ長期間データベースが構築されに対応していることが分かる。このことから、昭て い る 。 H e Ⅰ（ 1 0 8 3 ）輝 線 は 、 赤 外 吸 収 線

和基地のみで見られる太陽活動極小期における夏（1083 nm）の等価幅（equivalent width）であり、地季 foF2 の増大は、中性大気組成変化による影響

上で観測された太陽表面画像から求められる［11］。

よりも、長く継続する日照効果による電離の影響

HeⅠ（1083）は F10.7や SSN よりも、太陽 UV 放が支配的であると考えられる。この foF2 の特徴

射量の時系列変動をよく再現することが知られては、中・低緯度の変化と大きく異なる。

いる［12］。1995 年に打ち上げられた太陽観測衛星

参考として、図 5 には昭和基地、稚内、国分寺の SOHO 衛星には、電離圏電子密度生成に寄与

における foE の平均的な季節変化・地方時変化をする太陽放射の中で最も重要と考えられている、示す。ただし、昭和基地における foE のデータ期

太陽 EUV 放射量を計測する測器（solar EUV

間は先に示した foF2 と異なり、1969 年から1979

monitor SEM）が搭載されている。SEM で観測さ年の 10 年分である。foE は、E 層電子密度ピーク

れた太陽 EUV 放射量の変動と太陽活動指数であと対応している。この図のフォーマットは図 4 と同じであるが、コンター間隔だけは 0.25 MHz としている。この図から、3 つの観測点におけるfoE の変化が、太陽の日照時間にほぼ支配されていることがわかる。ただし、オーロラ帯に位置す
る昭和基地の夜側では、春季と秋季付近においてfoE が高くなる。この傾向は、春季と秋季にピークとなる地磁気活動度と関係しているのかもしれない。つまり、地磁気活動増加に伴ってオーロラ
粒子がより降り込み、夜側 E 層高度の中性粒子を電離していることが考えられる。
2.3

太陽活動・地磁気活動の依存性

2.1 で述べたように、F10.7 の高い値においてfoF2 はサチュレーションする。この 1 つの原因として、太陽活動指数である F10.7 が電離圏の生成に最も影響する太陽 EUV 放射量の変動を完全に再現できていないことが挙げられる。文献［9］は、4 つの太陽活動度指数、太陽黒点数（SSN）、F10.7、
MgⅡ（MgⅡcore-to-wing ratio）、HeⅠ（1083）輝線を使って、衛星で観測された太陽 EUV 放射量との比較を行った。太陽黒点数とは、太陽表面を観測

図6

1996 年 10 月から 1997 年 1 月までの
約 4 カ月における、MgⅡ、太陽 EUV 放射量、SSN、F10.7 の比較（文献［9］の図 5
を改訂）

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図7 （上段）1979 年から 2002 年におけるF10.7 と MgⅡとの比較、（下段）同期間における C10.7 と MgⅡとの比較

図8 （上段）1969 年から 2002 年におけるF10.7 と foF2 との比較、（下段）同期間における C10.7 と foF2 の比較

る F10.7 や MgⅡの変動と比較すると、MgⅡのF10.7 から 27 日の太陽自転周期変動成分と緩や方が F10.7 に比べ太陽 EUV 放射量変化のより良

かな変動成分を分離し、SOHO の SEM で観測さ

［13］
。例とし
い指標となることが知られている［9］れた太陽 EUV 放射量の変動と比較することにて、図 6 に文献［9］の図を示す。この図 6 では、よって導出される指数である。現在も開発段階で1996年 10 月から 1997年 1 月までの約 4 カ月におある C10.7 は、今後より太陽 EUV 放射量変動にける MgⅡ、SEM で観測された太陽 EUV 放射量、

近づくように改良が進んでいる。ここでは先ず、

SSN、F10.7 の変動を比較している。この図から

C10.7 の初期版と MgⅡとを比較し、C10.7 の妥もわかるように、F10.7 や太陽黒点数は、太陽自当性を検証する。図 7 は、1979 年から 2002 年に転周期である約 27 日周期を示す太陽 EUV 放射

おける F10.7 と MgⅡ、C10.7と MgⅡのそれぞれの短期的な変動やその振幅をうまく再現できていの散布図を示す。MgⅡとの相関は、F10.7 よりもない。一方、MgⅡは短期的な太陽 EUV 放射量

C10.7 の方が高く、データのばらつき度合いの指の時間変動をうまく再現している。

標となる平均 2 乗誤差の平方根（RMSE）も小さい。

しかし、MgⅡはデータ期間が 1978 年以降に限また F10.7 が高くなると、MgⅡがサチュレー

られるという欠点がある。1959 年以降から揃う電ションを起こす様子が見て取れるが、C10.7 には離圏長期データと比較するためには、F10.7 のよ

それが無い。

うな長期間の太陽活動指数データが必要となる。

そこで、長期間連続で、且つ太陽 EUV 放射量

最近、F10.7 の長期時系列データから、ニューラ

変動をより表わす太陽活動指数データである

ルネットワークを用いた経験モデルを基に新しいC10.7 の初期版を用いて、1969 年から 2002 年に太陽活動指数 C10.7（corrected solar flux index）をおける foF2 の太陽活動度依存性を再調査した。

導出する試みがなされた［14］。C10.7 は、F10.7 と、F10.7、
この解析では、foF2（11 − 13 時の平均値）

太陽 EUV 放射量の統計的な性質に基づいて、

C10 . 7 の 3 つデータが共通して存在するデータ410

情報通信研究機構季報Vol.55 Nos.1- 4 2009

セットを基に、F10.7 と C10.7 のそれぞれに対す

C10.7 の場合に見られる foF2 のサチュレーショ

る昼間の foF2 の応答の違いを調べた。図 8 の上

ン効果は、地磁気擾乱に起因していると考えられ段と下段には、F10.7 と foF2、C10.7 と foF2 のる。一般的に、地磁気活動度が高くなると（オー

関係を表す散布図（グレーの丸）を示す。それぞれロラ活動や磁気嵐など）、磁気圏から極域電離圏の図中に示す直線は、線形回帰直線である。このに流入する電磁エネルギーが増加する。もし電磁データ期間おける F10 . 7 と foF2 の相関係数は、

エネルギー流入が増加すれば、極域熱圏では中性

0.686 であった。図 3 と同様に、F10.7 の値が高大気温度の増加や［O］/［N2］比の減少を伴う大気

くなると foF2 の値がサチュレーションを起こして組成の変化が起こり、F 層高度の電子密度を減少いる様子が見て取れる。また、F10.7 が 150 SFU（foF2 の減少）させる（負の電離圏嵐；文献［6］を参から 200 SFU の間で foF2 のばらつきが大きく、

照）。つまり、foF2 の長期時系列データから地磁

特に foF2 の高い値（10 MHz 以上）が多く分布し気擾乱（またはそれに起因する電離圏嵐）に伴うている。一方、C10 . 7と foF2 の相関係数は 0. 716

foF2 の変動をできるだけ取り除くためには、少なであり、F10. 7 の場合に比べ若干高くなる。F10.7

くとも地磁気静穏時（K 指数で 2 以下）のみのの場合と異なり、C10.7 の値が大きな場合におけデータを選定する必要がある。これは、次節で述

る foF2 のサチュレーション効果は小さく、全体

べる foF2 長期トレンドの抽出手法に関係する。

的にほぼ線形の関係になっていることがわかる。
また RMSE からも、F10.7 に比べ C10.7 の方がばらつき（誤差）が小さくなることを示している。

3 長期的変化傾向（トレンド）−地球温暖化との関係−

次に、地磁気活動度による違いを調べた。ここでは地磁気活動度の指標として、昭和基地の K

3.1

長期トレンド研究に関するレビュー

指数（K-index）を用いる。K 指数は、各地磁気観

1980 年代後半、地表から放出される温室効果ガ

測点における地磁気の水平磁場変動から地磁気活スの増加が、対流圏の温暖化と成層圏、更には中動度を 3 時間毎に 0 から 9 の数字で表した指標

間圏・熱圏の寒冷化を同時に引き起こすという説であり、地磁気活動が静穏の時は K 指数が小さが提唱された。代表的な温室効果ガスである二酸

く、活発になると大きくなる。図中の青丸と赤丸

化炭素には、地球放射（赤外線）を吸収・放射するは、それぞれ地磁気活動度による foF2 の太陽活性質がある。対流圏における温室効果ガスは、地動度依存性の違いを表している。青丸が地磁気静球放射による赤外線を大量に吸収することによっ

穏時（K 指数が 0 から 2）、赤丸が地磁気擾乱時て大気を昇温させる。一方、中層・超高層大気で（K 指数が 2 から 4）で、それぞれ 15 SFU 毎に区は、対流圏に比べ地球放射による赤外線量が相対分した時の foF2 の平均値である。F10.7 の場合、的に少ないために、赤外線の吸収量よりも宇宙空

地磁気擾乱時に比べ、地磁気静穏時には foF2 の間への放射量が多くなり、結果として冷却化が促

サチュレーション効果が小さくなる傾向を示す

進される。また、成層圏におおける寒冷化は、こが、200 SFU 以上では若干サチュレーショ効果がの温室効果ガスによる直接的な影響に加え、塩素見られる（図上段の青丸）。一方、C10.7 の場合、系化合物によるオゾン減少・消失に伴う間接的な地磁気活動静穏時には foF2 のサチュレーション影響も寄与する。これはオゾン減少によって、成効果がほとんど見られず、C10.7と foF2 の関係が層圏オゾンの太陽紫外線吸収による加熱効果が減

ほぼ線形になることがわかる（図下段の青丸）。ま衰するためである。もし現在のペースで温室効果た地磁気擾乱時においても、C10.7 が低い値の場

ガスの増加が進行すれば、中層・超高層大気高度合（180 以下）は、地磁気静穏時と同じ値でほぼ線では寒冷化が促進されるだけでなく、中性大気密形に変化する。しかし、C10.7 が高くなると（180度や大気組成の変質、更にはプラズマ環境の変化

以上）、foF2 のサチュレーション効果が現れ、地など、様々な地球周辺環境の変化をもたらすので

磁気静穏時よりも foF2 が約 1〜2MHz 程度低くはと懸念されている。従って、超高層大気圏・電なる。前述したように、C10.7 と太陽 EUV 放射

離圏自身の「場」が、過去数 10 年の長期スケール

量とがほぼ同じような変動を示すことから、

でどのような変動をしていたかを明らかにし、そ

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宇宙天気予報特集の長期的変化傾向（トレンド）に含まれる自然起源

データから、高度 300 〜 400 km の大気密度が平（太陽・地磁気活動など）や人為起源（温室効果ガ

均的に約 0.45 ％/年で減少することを明らかにしス）に起因する影響を定量的に理解する必要があた。もしこの密度減少率で線形的に熱圏大気密度る。

が減少すると、21 世紀の終わりには寒冷化によっ

文献［15］では、中間圏・熱圏・電離圏を結合シて約 40 km も熱圏大気高度が降下することになる。

ステムとする全球平均（1 次元）大気モデルを用い

この熱圏大気密度の減少率の大きさは、地磁気活て、温室効果ガス増加が及ぼす高度 60 〜 500 km

動、地方時、季節に対しほとんど影響されないが、における大気環境への影響を初めて定量的に見積

高度や太陽活動度に依存する傾向を示す。例えば、もった。この数値シミュレーションでは、高度大気密度の減少率は高度が高くなるに連れて大き60 km で温室効果ガス濃度を倍増した場合（21 世

くなる傾向や、大気密度の減少率が太陽活動極大

紀中に到達すると予想されている値）、中間圏高期よりも極小期に大きくなる傾向がある［19］。こ度で約 10 〜 15 K、熱圏高度で約 20 〜 50 K の温れらの傾向は、文献［17］のモデルから推定される度減少が起こると予測した。また同時に、寒冷化

結果と定性的に良い一致を示すが、観測から推定に伴って大気の収縮が起こり、熱圏高度におけるされる密度の減少率の大きさは、モデル結果より

大気の主成分である窒素分子や酸素分子・原子のも若干大きい。文献［17］のモデル研究以降、地上密度が 30 〜 50 ％ 程度減少する。こうした温室

観測データを基に電離圏の長期トレンドの検出を

効果ガス増加に伴う超高層大気の変化に関連し、試みる研究が盛んになった。電離圏の長期トレン

大気収縮に伴う電離圏高度の降下、酸素原子と窒ドを検出する際、多くの場合、重回帰分析手法が素分子の密度比の変化に伴う電離圏電子密度の変用いられる。重回帰分析は、従属変数とそれに影化、メタンや水蒸気密度の増加と中間圏界面の温響を与えると考えられる 1 つ以上の独立した説明

度低下に伴う夜光雲発生頻度の増加などが起こる

変数との関係を調べ、それらの間の関係式（重回と推測されている。

帰式）を求める手法である。この手法を基に、モ

文献［16］では、文献［15］の数値計算予測と標準的デル計算から予想される超高層大気圏の寒冷化にな電離圏理論を用いて、温室効果ガス増加によるよって引き起こる電離圏高度の低下を支持する観電離圏への影響を概算的に見積もった。もし将来測結果が、文献［20］によってはじめて報告された。

的に温室効果ガスが倍増した場合、電離圏 E 層

文献［20］では IGY 以降、中緯度で観測されたイオと F2 層の電子密度ピーク高度が、それぞれ約ノゾンデの長期（1957 〜 1990 年）データを用いて、2 km と 15 〜 20 km 降下することが推定された。

過去 30 年間に電離圏 F2 層のピーク高度が緩やか

一方、中性大気温度変化に対して過敏に反応しなな減少傾向を示すことを明らかにした。また、こい電子密度はほとんど変化しない。その後、3 次の電離圏 F2 層のピーク高度の年間降下率は、夏

元熱圏−電離圏統合モデルにおいて全球的な電離季（−0.12 km/ Yr）よりも冬季（−0.45 km/Yr）の方

圏への影響が検証されたが、上記の推定と同様に、がより顕著になるという結果も示している。その温室効果ガス濃度の倍増に伴って電離圏の F2 層

後も、北欧に位置するソダンキラ（北緯 67˚ 、東経のピーク高度が全球的に約 10 〜 20 km 降下する

27 ˚ ）で 1958 年以降に観測されたイオノゾンデという結果が得られており［17］、温室効果ガスにデータを用いて、電離圏 F2 層のピーク高度が長よる電離圏の影響が注目され始めた。もしこのよ

期的に降下しているという結果が報告された［21］

うな電離圏変化が将来的に起こるとすると、実利［22］。

用化されている電波通信などへの影響が懸念され

文献［23］は、1935 年から 2001 年におけるトロ
ムソ（北緯 69 ˚ 、東経 19 ˚ ）の長期イオノゾンデる。
熱圏の中性大気密度は、熱圏高度を飛翔する低データを用いて、foF2 が長期的に減少する傾向を

高度衛星の軌道データから、衛星にかかる大気抗。文献［23］では、この示した（−0.0078 MHz/Yr）

力による軌道半径の変化率を求めることによって

foF2 の減少傾向は温室効果ガスの増加や、酸素原推定可能である。文献［18］は、過去 3 回の太陽活子・窒素分子の変化によって引き起こると考えら

動極小期（1976、1986、1996 年）における衛星軌道れた。文献［24］は、北半球に位置する多点イオノ

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情報通信研究機構季報Vol.55 Nos.1- 4 2009

ゾンデ観測網のデータを用いて、foF2 長期トレン

foF2 のサチュレーション効果が大きくなり、線形ドの緯度変化を調査した。ほとんどの観測点で関係が崩れてしまう。そのため SSN や F10.7 を

foF2 長期トレンドが減少傾向を示すと同時に、緯使用した場合に、太陽活動に依存する foF2 変動

度が高くなるにつれて foF2 長期トレンドの減少をうまく表すことができない。更に、2.3 でも示率が大きくなる傾向も示された。このような foF2

したように、地磁気活動度が高くなると foF2 の長期トレンドの緯度依存性は地磁気活動に伴う電サチュレーション効果がより大きくなる（図 8 参

離圏嵐の効果として解釈されている。

照）。そこで本解析では、太陽活動指数として太しかし、世界各地に設置されたイオノゾンデの

陽 EUV 放射の変動をより正しく再現している指多点観測網を用いた解析から、F2 層ピーク高度

数、C10.7 を用いる。また、foF2 は 1 日毎に地方の長期トレンドが全球的に単調な負のトレンドを時 11 〜 13 時における地磁気静穏時（0 ≦ K 指

示すのではなく、正のトレンドを示す観測点もあ

数 ≦ 2）のデータのみを使用することにより、地ることが報告されている［25］−［27］。文献［27］は、F2磁気擾乱の影響を出来るだけ少なくした。一般的

層ピーク高度トレンドにおける世界分布を示し、に、地磁気擾乱が起こった後もある程度の時定数

F2 層ピーク高度の成長トレンドには緯度・経度を持って電離圏擾乱は継続することが知られてい依存性がないものの、ある程度の地域性があるとるが、ここではその効果は無視する。両者の条件いうことを指摘している。しかし、この地域性をから、まずは K 指数が利用できる 1969 年から説明するメカニズムは未だ理解されていない。こ2002 年までの foF2 長期トレンドの導出を行った。

うした複雑なトレンド分布は、温室効果ガス増加

詳細な導出方法は以下の通りである。

によって全球規模の超高層大気が寒冷化すると予① 観測された foF2 データ（foF2obs）から地磁気［17］の数値モデル結果と矛盾する。
想した文献［15］静穏時（0 ≦ K 指数 ≦ 2）のデータのみを選ぶ。

そのため、ある者は、F2 層ピーク高度の長期ト② C10 . 7 と foF2 との間の線形関係を仮定し、レンドが温室効果ガス増加に伴う超高層大気の寒観測された foF2 から太陽活動だけに依存し冷化による影響ではなく、地磁気活動の長期変化て変動する成分（foF2mod ＝α1・C10.7＋b1）をによる影響であるとする研究成果も報告されてい
［28］
。
る［24］

求める。
③ 観測された foF2obs から foF2mod を差し引いた

このように、衛星軌道データから求められた全残差成分（ΔfoF2＝foF2obs− foF2mod）を、太陽球的な熱圏大気密度の長期トレンドと異なり、イ

活動・地磁気活動に依存しない変動とみな

オノゾンデから求められる電離圏 F2 層長期トレす。

ンドにおける統一的な見解は、未だ得られていな
いのが現状である。

③ 残差成分 ΔfoF2 の直線回帰式（ ΔfoF2 ＝
A＋B*（year−1969））を求め、その傾き B を
foF2 長期トレンドとする。

3.2

昭和基地における電離圏長期トレンド

図 9（a）に、1969 年から 2002 年に観測された

上記に述べた過去の研究では、様々な手法から

foF2 の変動（foF2obs：グレーの丸）と F10.7 を用い

電離圏長期トレンドの推定が試みられてきた。電て求められた foF2 の太陽活動に依存する成分

離圏の長期トレンド推定において、もっとも重要（foF2mod：青線）を示す。また、図 9（b）に foF2 のなことは、電離圏の変動成分から如何にして太陽残差成分（ΔfoF2：グレーの丸）とそれから得られ活動・地磁気活動に依存する成分を取り除くかでる直線トレンド（青線）を示す。一方、図 9（c）とある。特にオーロラ帯に位置する昭和基地では、（d）には C10.7 を用いた場合における foF2 の太陽

地磁気活動による影響が大きく効いてくる。これ

活動に依存する成分（foF2mod：赤線）とその直線トまでの長期トレンド研究においてほぼ共通していレンド（赤線）を示す。この解析手法から推定される点は、太陽活動に起因する foF2 の変動を表す

た 1969 年から 2002 年における foF2 の直線トレ際に、foF2 と太陽活動指数（SSNや F10.7）との線

ンドは、F10.7 を使用した場合、1 年で −0.0002 ±形関係を仮定しているところである。しかし図 3、0.0018 MHz 減少する傾向を示した。しかしこの

図 8 で示したように、F10.7 が高い値になると、

場合、誤差よりもトレンド成分が小さいため、長

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宇宙天気予報特集

図9 （a）1969 年から 2002 年に観測された foF2 の変動（foF2obs：グレーの丸）と F10.7 を用いて求められた foF2 の太陽活動に依存する成分（foF2mod：青線）。（b）foF2 の残差成分（ΔfoF2：グレーの丸）と直線トレンド（青線）。（c）1969 年から 2002 年に観測された foF2 の変動（foF2obs：グレーの丸）と C10.7 を用いて求められた foF2 の太陽活動に依存する成分（foF2mod：赤線）。（d）foF2 の残差成分（ΔfoF2：グレーの丸）と直線トレンド（赤線）

期トレンド成分はほぼゼロとみなすことができを与えるかについて調べた。用いたデータは、太る。一方、C10.7 を使用した場合、foF2 の長期ト

陽活動指数の F10.7 と C10.7、地磁気活動指数のレンドは 1 年で −0.0012 ± 0.0017 MHz 減少と、K 指数と ap 指数である。ap 指数は、世界 12 ヶF10.7 の場合よりも減少率（傾き）が約 6 倍も増加

国の地磁気観測所の観測を基にした地磁気の活動した。この結果からも、どの太陽活動指数を選定度を示す 3 時間毎の値であり、0 〜 400 nT の間するかで、長期トレンドの傾向が変わるというこで 28 区分されている。この解析では、地磁気静とが分かる。これは、これまでの解析手法を再検

穏時を ap 指数が 10 nT 以下とした。表 1 は、そ討する必要があるということを示唆している。しれぞれの foF2 の長期トレンド値をまとめた結果

かし C10.7 の場合も、誤差よりもトレンド成分がである。foF2 のモデル値（foF2mod）においては、3若干小さいことから、1969 年から 2002 年においてつのケースを考えた。モデル 1 では、太陽活動・

foF2 が有意に減少傾向を示しているとは必ずしも

地磁気活動に依存する成分を、foF2mod＝α1・（太言いきれない。異なる手法ではあるが、文献［23］陽活動指数）＋ b 1 ・（地磁気活動指数：ap 指が 1935 年から 2001 年におけるトロムソの foF2数）＋c1 の形式で表し、それらを観測値から差し

長期データから有意な foF2 の減少トレンド（1 年

引くことによってトレンド成分を求めた。これは、で −0.0078 ± 0.0041 MHz の減少）を導出した結果

これまでの電離圏長期トレンド研究でよく用いらとは異なる。

れている手法の一つである。モデル 2 とモデル 3

次に、いくつか異なるトレンド抽出手法や、使は地磁気活動静穏時の foF2 だけを取り出すためうデータの期間、太陽活動指数の違いによって、に、それぞれ ap 指数（ap 指数が 10 以下）と K 指導出される foF2 の長期トレンドにどの程度影響数（K 指数が 2 以下）を用いて判定した。その後

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情報通信研究機構季報Vol.55 Nos.1- 4

2009

表1

異なるトレンド抽出手法、使用データの期間、太陽活動指数の違いによって導出される昭和基地における foF2 の長期トレンドの手法は最初に示した手法と同じである。表 1 を本章では、1959 年から 2002 年における、南見るとわかるように、どの手法を用いても foF2

極・昭和基地（南緯 69.0˚、東経 39.6˚）でのイオノの長期トレンド成分は減少傾向を示しているが、ゾンデ長期観測データを基に、オーロラ帯域のそのトレンドの減少率は観測データ期間、太陽活

様々な電離圏 F2 層の変動について紹介した。

動指数、トレンド抽出手法の違いによって大きく

foF2 の平均的な地方時・季節変化は、他の観測点異なる。もっとも大きな減少傾向を示したケースでも見られるような複雑な変化を示し、更には太が、モデル 2 を用いる手法であり、次いでモデル

陽活動・地磁気活動に大きく影響している様子が1 の手法となる。モデル 3 の手法においては、分かった。また、地球温暖化に関わってくると考foF2 長期トレンドがほぼゼロという傾向となる。

えられている電離圏長期トレンドは、科学的な1959 年から 2002 年までの長期トレンドでは、太テーマであると同時に社会的にも関心の高い問題

陽活動指数の違いからくる差はそれほど大きくはである。今後は、南極・昭和基地における電離圏

ないが、1969 年から 2002 年までのデータ期間で観測が継続され、さらに長い時間スケールに及ぶ

区切るとその差は大きくなる。

電離圏の変遷を明らかにすると同時に、その物理以上の結果は、今後の長期トレンド解析を進める上で重要なヒントを与えている。特に、全球的プロセスを理解するためには数値モデルによるアプローチも必要となる。

な電離圏長期トレンドの導出においては、（1）それぞれの観測点におけるデータ観測期間を揃える

謝辞

こと、（2）太陽・地磁気活動に依存する成分を取り除く手法、（3）太陽・地磁気活動指数の選定、などを確立してから再検証する必要がある。

F10.7 指数、MgⅡは、NOAA の国際地球物理
データセンター（NGDC）の提供によるものです。
南極・昭和基地のイオノゾンデデータは、情報通4 むすび

信研究機構・電磁波計測研究センター推進室の石井守室長、同機構・光・時空標準グループの中村

電離圏は、通信・電波伝播に重要な影響を与え

真帆専攻研究員により提供して頂きました。本稿

る領域で、上層の太陽放射及び磁気圏、下層の大執筆にあたり、有用な助言を頂きました情報通信

気圏の双方の影響を受け日々変動や季節変動など研究機構の丸山隆上席研究員、中村真帆専攻研究は複雑な振舞いを示す。また近年、長い時間ス

員に深く感謝致します。長年にわたり、昭和基地

ケールでの地球超高層大気（電離圏）の変遷に、人イオノグラムデータの読み取り作業をして頂いて為起源による温室効果ガス増加が重要な役割を果いる、情報通信研究機構の福嶋さんに感謝いたしたしている可能性を指摘する研究者もいる。このます。最後に、昭和基地におけるイオノゾンデ観

ように、電離圏は地球大気上下結合における境界測機器の設置・保守作業に従事されてきたすべて

領域として大変重要である。

の南極観測隊員に感謝致します。

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宇宙天気予報特集

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もと ば てつ お

元場哲郎
国立極地研究所宙空圏研究グループ
特任研究員 博士（理学）
超高層大気物理

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