J. Plasma Fusion Res. Vol.100, No.6 (2024) 277-284

講座 宇宙天気研究に基づく社会インフラ防護と被害予測

6 ．送電網に対する太陽活動の影響
6. Impact of Solar Activity on Power Grid
海 老 原 祐 輔，亘慎 一1）

EBIHARA Yusuke and WATARI Shinichi 1 ）京都大学生存圏研究所， 1 ）情報通信研究機構（原稿受付：2024年 1 月25日）

地磁気誘導電流は送電網などを流れる自然由来の電流で，過剰に流れると変圧器の損傷など深刻な影響を与え，最悪の場合停電に至るおそれがある．地磁気誘導電流の直接的な原因は宇宙空間を流れる電流にあり，その大きさは地下の電気伝導度と送電網の電気的パラメータに依存する．そのため，地磁気誘導電流を理解するためには根本原因である太陽から固体地球そして送電網に至る全過程を包括的に捉える必要がある．本章では送電網に対する太陽活動の影響を概観するとともに，地磁気誘導電流の発生を電磁場の伝播の文脈で説明する．
Keywords:
space weather, geomagnetically induced current, power grid, solar-terrestrial relation, solar activity

6．1

はじめに

圧に変換している．変圧器は励磁電流と磁束の間の線形

大雨，強風，雷などの自然災害に備え，電力会社は様々な領域を利用して電圧を変換するが，励磁電流がある閾

な設備対策を施している．1989 年 3 月にカナダ［1］で，値を超え非線形な領域で動作するようになると磁気飽和

2003 年 10 月にスウェーデン［2］で太陽活動を原因とする長をおこし，出力波形が乱れる．

時間の停電が発生し，太陽活動も自然災害の一つになるこ

多くの変圧器では保安のため中性線が接地されている．

とが再認識された．いずれも大規模な太陽活動によって中性線と地面の間の抵抗（接地抵抗）は概ね低く，送電引き起こされる地磁気擾乱に伴い，その地磁気擾乱によ線の線路抵抗も低い．そのため，接地線を通して地面かり地磁気誘導電流（Geomagnetically Induced Current，

ら送電網に自然由来の電流が流れやすい．変圧器は 50 Hz

以下 GIC と略す）と呼ばれる準直流電流が送電網に過剰または 60 Hz の交流電流が流れるものとして設計されておに流れ，複合的な要因が重なり停電に至ったと分析されり，これらの周波数と比べて周波数がはるかに低い準直ている．

流電流が過剰に混入すると磁気飽和がおきる．すると送GIC は送電網やパイプライン，通信ケーブルなど接地

電系統の周期で変動する正弦波のうち半周期は飽和状態されている長大な導電体を流れる自然由来の電流で，そに，残りの半周期は不飽和状態になる．これを半周期飽の振幅は地磁気が乱れると増大する．その大きさは地下

和（half-cycle saturation）と呼ぶ．半周期飽和がおこるの電気伝導度や送電網線の抵抗，接地抵抗，接続形態なと無効電力が増大して送電効率が低下するとともに，基本

ど電気的なパラメータにも大きく依存するため，GIC を

波の整数倍の周波数をもつ高調波が発生する．高調波は理解するためにはその根本原因である太陽から固体地球，

送電系統を保護するために設けられている保護リレーのそして送電網に至るまでの過程を包括的に捉えることが誤作動を招く恐れがある．しかし，日本をはじめ各国で必要である．本章では，GIC による送電システム障害の普及が進んでいるデジタル式保護リレーはデジタルフィ

発生メカニズム，地磁気擾乱の原因となる宇宙環境変動，

ルターにより高調波成分を除去することができ，高調波

地磁気誘導電場と地磁気誘導電流の発生について概観すによるリレーの誤作動はおこりにくいとされている［3］．
磁気飽和がおこると磁束が外部に漏れて渦電流が流れ，る．

変圧器の部材に熱が発生する．これをホットスポット加

6．2

GIC と送電システム障害

熱（hot-spot heating）と呼ぶ．ホットスポット加熱は巻6．2.1

送電システム障害発生のメカニズム

線の絶縁強度の低下を招くおそれがあり，米国電気電子

発電所で作られた電気は数十万～50 万ボルトの超高電学会（IEEE）はホットスポット加熱の上限を定めている

圧で送電線に送られ，様々な変電所で適切な電圧に変換（IEEE 標準規格 C57.91-1995）．温度上昇に伴い変圧器にされたのち，一般家庭や工場などの需要者に届けられる．

用いられる絶縁紙の劣化や［4］，巻線から発生した気泡に各変電所にはバンクと呼ばれる変圧器があり，所望の電よって絶縁強度が低下し，絶縁破壊に至ることもある［5］．

Research Institute for Sustainable Humanosphere, Kyoto University, Uji, KYOTO 611-0011, Japancorresponding author’s e-mail: ebihara@rish.kyoto-u.ac.jp

277Ⓒ2024 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research

変圧器コアの形状や素材により GIC（準直流電流）の増Vol.100, No.6

June 2024ての変圧器にあてはまるわけではないことに注意したい．

加とともに内部の温度が上昇を続ける変圧器と，一定以上に温度が上がらない変圧器があり［6］，GIC の増加が変6．3

宇宙環境と地磁気変動

圧器の損壊につながるとは限らない．GIC に対する変圧

6．3．1

太陽

器の応答は様々であり，GIC に対する耐量を一律に見積

太陽は様々な形のエネルギーを惑星間空間に放出してることは難しい．

いる．単位面積あたりのエネルギーが最も大きいのは電6．2．2

磁波である．太陽フレアと呼ばれる爆発的現象が起こる

送電システム障害の発生事例

GIC を原因とする大規模な停電や変圧器の過熱によると，増大した X 線や紫外線が昼側の超高層大気を電離し，損傷はこれまでにいくつか報告されている．電力会社の電気伝導度を上げ，短時間に電離圏電流を増やすことがあ

障害記録などを用いて詳しい解析がなされている 1989 年

る．この結果生じた地磁気変動を太陽フレア効果（Solar

3 月と 2003 年 10 月末～11 月上旬の磁気嵐に関連した事例

Flare Effect, SFE）と呼ぶ．太陽フレアが発生してからについて紹介する．磁気嵐は大規模な太陽活動によって

約 8 分後にその影響が現れる．

引き起こされる数日間続く地球規模の地磁気擾乱で，大単位面積あたりのエネルギーは電磁波と比べて 6 桁近く

きな磁気嵐では振幅が地球磁場の 1% を超えることがあ

小さいが，プラズマと磁場のエネルギーは GIC にとってる．

特に重要である．とくにコロナ質量放出（Coronal Mass

1989 年 3 月に発生した磁気嵐に伴う GIC では， 3 月 13

Ejection, CME）がおこると惑星間空間に向かって多くの日に約 9 時間におよぶ停電がカナダのケベック州で発生エネルギーが突発的に放出される．コロナ質量放出は太し約 600 万人がその影響を受けた．ハイドロケベック（カ陽フレアやプロミネンス（紅炎）の上昇に伴って発生すナダの電力会社）では，北部の水力発電所から都市部へる．プロミネンスは太陽外層大気であるコロナ中を浮か電力供給する長距離の送電線に無効電力を調整する装置

ぶ細長い構造で，コロナと比べて温度は低いが密度は高を設けていた．GIC によりこの装置の保護リレーが誤い．太陽を極端紫外線で見たときに暗く見える領域があ

動作し大部分の電力供給を担っていたこの送電線によるる．コロナホールと呼ばれ，ここでは高速の太陽風が吹

電力供給が停止したため，電力網の安定性を保つためにき出している．

次々と電力網が切り離され大規模な停電にいたったもの

6．3．2

太陽風

であった［1］．停電には至らなかったものの米国ニュー太陽風の主な構成要素は陽子 H ＋（約 95%），ヘリウムジャージー州セーラムの発電所ではこの磁気嵐による

イオン He＋＋（約 4%），電子であり，わずかに炭素，窒素，

GIC のために変圧器の過熱による損傷が発生した［7］．

酸素，ネオン，マグネシウム，ケイ素，鉄などのイオン

2003 年 10 月末から 11 月上旬にかけて複数の大きな磁気が含まれている［9］．太陽風は常に吹き出しているが，そ嵐が連続して発生した．この一連の現象は発生した時期の速さや密度は一定ではない．大きな地磁気変動の原因

からハロウィン・イベントと呼ばれている．この磁気嵐となる太陽風の構造として惑星間空間擾乱（ICME）と共の際には GIC による高調波により，スウェーデンのマル

回転相互作用領域（CIR）がある．ICME に伴っておこる

メへの送電を担う変電所の変圧器の保護リレーが誤動作

磁気嵐のほうが CIR によっておこる磁気嵐と比べ規模がしたことにより，10 月 30 日にマルメでおよそ 1 時間の停大きい．

電が発生し約 5 万人に影響が出た［2］．また，南アフリカ

6．3．2．1

惑星間空間擾乱（ICME）

共和国では，ハロウィン・イベントの際の GIC によるもCME によって太陽から突発的に吹き出された大量のプのと考えられる変圧器の過熱による損傷が変圧器の絶縁ラズマの塊は惑星間空間を伝搬していく．これを ICME

油中のガス分析により見つかった［8］．

（Interplanetary CME）と呼ぶ．ICME の平均的な速さ

6．2．3

は 300～500 km/s であるが［10］，まれに 3000 km/s に達す

耐性基準

1989 年 3 月に発生した太陽フレアに伴う長時間停電をることもある［11］．ICME の前面には強い衝撃波が形成さ契機として，GIC に対する取り組みが各国で強化された．

れ，磁場とプラズマが圧縮されている．衝撃波と ICME

北米電力信頼度協議会（NERC）は，この磁気嵐のとき

本体との空間をシースと呼ぶ．ICME 本体は磁気ロープ構に測定された地磁気変動をもとに地磁気誘導電場（GIE）

造を伴う［12，13］．シースや ICME 本体の強い磁場が安定と地下伝導度の参考値（シナリオ）を策定した（TPL-007-

的に南を向くと，大きな磁気嵐の原因となる．

04）．200 kV 以上の電圧を扱う変圧器に対してアセスメン

6．3．2．2

共回転相互作用領域（CIR）

トを実施した結果， 1 相あたり 75 A 以上の GIC が流れる

コロナホールから吹き出す通常 500 km/s を超える高ことがわかった場合，当該変圧器に対して熱影響評価を

速太陽風が先行する低速太陽風に追いつたときの接触面行うよう求めている． 1 相あたり 75 A の GIC が流れるとを 共 回 転 相 互 作 用 領 域（corotating interaction region,

変圧器のホットスポット温度が摂氏 160～172 度に上昇すCIR）と呼ぶ．前方衝撃波と後方衝撃波が形成される場合

るおそれがあるためである． 1 相あたり 140 A の GIC がが多い．圧縮により密度と磁場が上昇し，磁場は乱流的

流れると緊急時の制限基準（IEEE 標準規格 C57.91-2011）になる．乱れた磁場に南向き成分が含まれていると弱いである摂氏 200 度を超える場合があるとされるが，GIC に

磁気嵐やサブストームの原因となる．コロナホールは太対する温度上昇特性は変圧器によって異なるため，すべ

陽の自転とともに移動するため，コロナホールを原因と278

Lecture Note

6. Impact of Solar Activity on Power Grid	

6．3．3．2

する磁気嵐は太陽の自転周期である約 27 日毎に発生することが多い．
6．3．3

Y. Ebihara and S. Watari

尾部電流

磁気圏の尾部を取り囲むように流れる電流で，磁気赤

磁気圏と電離圏を流れる電流

道面付近では西向きに，磁気圏高緯度境界付近では東向

地球磁場が支配する宇宙空間を磁気圏と呼ぶ．恒常的きに流れている．磁気圏尾部の構造を支えているとも言に吹いている太陽風によって地球の磁力線は太陽とは反える．尾部電流が強くなると地球の磁場は夜側に引き伸

対側（夜側）の方向に引きのばされ，磁気圏は彗星の尾

ばされ，弱くなると双極子型に近くなる．後述の赤道環のような形をしている．大振幅の GIC の原因となりうる

電流と比べると，地球磁場に対する影響は比較的小さい

磁気圏電流として磁気圏境界電流，尾部電流，赤道環電［17］．

流があり，図 1 のように流れている．

6．3．3．3

赤道環電流

超高層大気の一部が電離している領域を電離圏と呼ぶ．

赤道環電流は地球を取り囲むように流れる電流で，本高さ約 70～数 1000 km にあり，電離率は最大でも 0.1% 程

質的には反磁性電流である．地球中心から約 2.5－3.0 RE

度で，中性大気との衝突が無視できない弱電離気体の状（RE は地球半径）付近にプラズマ圧の極大があり，極大よ態にある．昼側では太陽の極端紫外線が，夜側の極地方

り内側では東向きに，外側では西向きに電流が流れていではオーロラに伴って降り込む電子が主な電離源となる．

る［18］．電流の総量は外側を流れる西向き電流のほうが電離圏電流も GIC にとって重要である．電離圏電流と代大きいため，赤道環電流が発達すると H は減少する［19］．

表的な沿磁力線電流を図 2 に示す．高緯度地方では電離

プラズマ圧を主に担っているのは数 10 keV ～数 100 keV

圏を流れるオーロラ・ジェット電流の影響が強い［14］．

のエネルギーを持つイオンである．これらのイオンは地

中低緯度地方では電離圏電流の影響は弱く，磁気圏境界

球の周囲に常に存在し，静穏時を含め赤道環電流は常に

電流，赤道環電流，沿磁力線電流の影響が強い［15，16］．

流れている［20］．H が数日間減少することを磁気嵐と呼6．3．3．1

ぶ．赤道環電流が発達するためで，その発達は特に夜側

磁気圏境界電流磁気圏境界電流は昼側の磁気圏境界付近を東向きに流で大きい［21］．

れ，その増大は北向きの地磁気変動として観測される．

6．3．3．4

沿磁力線電流つまり，地磁気の水平成分 H は増加する．東向きの電流

沿磁力線電流は磁場に平行方向に流れる電流で，磁気が作る外向きのローレンツ力と内向きの太陽風プラズマ

圏で閉じることができない電流を電離圏に流す役割があの動圧が釣り合い，磁気圏の形状を維持している．

る．電離圏に接続する代表的な沿磁力線電流として，領域 1 型と領域 2 型と呼ばれる 2 組の電流がある［22］．領域 1 型電流は午前側で下向き，午後側で上向きに流れ，
その低緯度側では逆の極性を持つ領域 2 型電流が流れている．領域 1 型電流は太陽風と地球磁場との相互作用によって駆動されていると考えられているが詳細はよくわ
かっていない．領域 1 型電流のようにスケールの大きい
沿磁力線電流はアルベン波に付随して流れていることに着目し，アルベン波の波束を追跡してその起源を探索す
る新しい手法が最近提案され，発生機構が明らかになりつつある［23］．
極域電離圏に接続する沿磁力線電流は，惑星間空間が

図1

大振幅 GIC の原因となる代表的な磁気圏電流（磁気圏境
界電流，尾部電流，赤道環電流）．

南を向いたときや［24］，サブストームと呼ばれる突発現象が発生すると増加する［25］．沿磁力線電流は電荷を電離圏に持ち込み，ジェット電流を始めとする電離圏電流を駆動するほか，磁気圏から極域電離圏にエネルギーを輸送する上で重要な役割を担っている［26］．
6．3．3．5

電離圏電流

電離圏電流は大きく二つに分けられる．一つは電離圏
電場に伴って流れる電流で，沿磁力線電流が持ち込む電荷によって駆動されると考えられている．中性気体との衝突がほとんどない電離圏の最上域ではイオンと電子は同じ方向に電場ドリフト（E × B ドリフト）し，正味の電流は殆ど流れない．高度が下がるとイオンと中性気体との衝突周波数が高くなり，イオンは電場の方向にも移動するようになる．その結果，電場方向成分の電流（ぺ図2

ダーセン電流）が発生する．さらに高度が下がるとイオ

大振幅 GIC の原因となる代表的な沿磁力線電流（領域 1 型，
領域 2 型）と電離圏電流（ホール電流，ペダーセン電流）．

ンは衝突により動きにくくなる一方，電子は電場ドリフ
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Journal of Plasma and Fusion Research

Vol.100, No.6

June 2024

トを続けることができ，磁場と電場に垂直方向成分の電導度の強い空間勾配が生じ，ホール電流があふれるよう

流（ホール電流）が流れる．

になる．あふれた電荷の一部は沿磁力線電流として磁気領域 1 型電流は午前側で下向きに，午後側で上向きに圏に逃げ，残りは 2 次電場（分極）を発生して 2 次的なホー流れている．領域 1 型電流の総量は領域 2 型電流よりもル電流を作る．この 2 次的なホール電流が 1 次的なペダー大きい傾向にあり［27］，午前側では正の空間電荷が，午セン電流に加わり電流が強まる．これがオーロラ・ジェッ

後側では負の空間電荷がたまりやすい．その結果，電場

ト電流である．オーロラ・ジェット電流の影響が強いオー

方向に流れるペダーセン電流は図 2 のように午前側から

ロラ帯の直下では GIC が流れやすく，特段の注意が払わ

午後側に向かうように流れる．ホール電流は電場と磁場れている．

に垂直な方向に流れる電流で，北極上空から見ると午前

イオンが中性大気に引きずられることでも電離圏に電側では時計回り，午後側では反時計回りに流れる．極域

流が流れる．例えば，潮汐運動を行う大気にイオンが引を流れる二つ目玉のホール電流は DP2 型等価電流［28］ときずられると昼の北半球で反時計回り，南半球で時計回呼ばれ，惑星間空間磁場が南を向くと発達する．電離圏りの電流が電離圏を流れ， 1 日周期の地磁気変動を作る．

の電位分布は磁気圏対流と対応していると考えられていこの 1 日周期の変動は地磁気静穏日変化と呼ばれている．

る．極冠電位差と呼ばれる最高電位と最低電位の差は対

振幅は数 10 nT 程度と小さく，送電網への脅威にはならな

流の大きさを表す指標として使われる．静穏時の極冠電い．

位差は数 10 kV であるが，惑星間空間磁場が南を向き，太6．3．4

陽風速度が上がると数 100 kV に達することもある．

6．3．4．1

主な地磁気変動現象
SC（急始）

沿磁力線電流と電離圏電流の接続を考えよう．両者がICME が到来するなどして太陽風の動圧が急に強まる

垂直に交わり，電気伝導度が一様な場合，ペダーセン電と磁気圏境界電流が強まり，中低緯度では H の増加が観流が作る地磁気変動は沿磁力線電流が作る地磁気変動に測される．H の増加時間（rise time）は数分から 10 分程

よって打ち消される．福島の定理と呼ばれる．極域では度［30］である．H の急増に続いて磁気嵐の主相が始まる

地磁気の伏角が十分大きく，福島の定理が成り立つとし場合を sudden storm commencement（SSC），磁気嵐をてホール電流の寄与のみを考える場合が多い．

伴わない場合を sudden impulse（SI）と呼んでいる．両定常かつ電気伝導度が一様ならば，沿磁力線電流は全者をまとめて sudden commencement（SC）と呼ぶ．柿てペダーセン電流と接続する．ホール電流も同時に流れ

岡における観測史上最大振幅の SC は 1940 年 3 月 24 日にるが，ペダーセン電流と直交し沿磁力線電流と接続する記録された＞ 273 nT である［31］．SC の振幅は大きく，継ことはない．電気伝導度が一様でない場合，ホール電流

続時間も短いため，中低緯度における大振幅 GIC の原因が流れる方向に電気伝導度の勾配があるとホール電流がの一つとなる［32］．

あふれる（もしくは不足する）ようになる．余った電荷

高緯度では初期インパルス（preliminary impulse, PI）の一部は沿磁力線電流として磁気圏に流れ，残りは電離とそれに続く主インパルス（main impulse, MI）が重畳

圏にとどまる．つまり，電気伝導度に非一様性があるとする．PI と MI は移動性の電離圏ホール電流の渦が原因

沿磁力線電流の一部はホール電流にも接続するとともに，で，極性が異なる 2 種類の沿磁力線電流が関わっている

電離圏にとどまる電荷によって 2 次的な電場が生じる． 2と考えられている［33］．MI の振幅は大きくなることがあ

次的に生じる電場はジェット電流の原因となり，大きなる．例えば，1989 年 3 月 13 日 07:45 UT 頃，午前側にいた

地磁気擾乱，すなわち大振幅 GIC の原因となる．ジェッ

カナダで 1000 nT を超える大振幅の地磁気変動が観測さト電流には赤道ジェット電流とオーロラ・ジェット電流れた．多点観測から主インパルスであることが推察され，の二つが知られている．

ほぼ同時刻にケベック州で始まった大規模停電の要因と磁気赤道では地球の磁力線は水平である．昼側の磁気なった可能性が指摘されている［34］．

赤道では通常東向きの電場があり，ペダーセン電流が東6．3．4．2

磁気嵐（磁気嵐主相・回復相）

向きに流れている．ホール電流は鉛直下向きに流れるが，南向きの惑星間空間磁場が数時間以上続くと磁気嵐がホール電流が流れる領域は高さ方向に限られており，電発達する［35］．磁気嵐（主相・回復相）の直接的な原因

離圏の下方ではホール電流があふれて正の電荷が，上方は赤道環電流の増強と減衰である．赤道環電流の本質はでは負の空間電荷がたまる．その結果上向きの 2 次電場

反磁性電流であるから，磁気嵐の消長はプラズマ圧の消が発生し，東向きのホール電流が流れる．もともと東向長と換言することができる．H が単調減少する期間を主相きに流れていたペダーセン電流にホール電流が加わり，と呼び，主相は数時間から半日程度続く．主相の間，環東向きの電流が増強する．これが赤道ジェット電流であ電流を発達させるためにはプラズマ圧を高め続けなけれる．磁気赤道直下では赤道ジェット電流によって GIC がばならない．その場でイオンを加熱することは難しいと増幅しやすい［29］．

され，尾部に存在する温度数 keV の熱いプラズマを対流

オーロラ・ジェット電流の仕組みは赤道ジェット電流

電場によって内部磁気圏に持続的に注入する方法が有力のそれに似ている．keV オーダーのエネルギーを持つ電子

視されている［19］．対流電場は朝側から夕側に向かう電が大量に降り込むと，明るいオーロラが現れるとともに場で，少なくとも赤道環電流が流れる内部磁気圏では広大気の一部が電離する．明るいオーロラの周囲で電気伝く分布し，惑星間空間磁場が南を向くと強まることが確
280

Lecture Note

6. Impact of Solar Activity on Power Grid	

認されている［36］．対流電場の持続的な増大をもたらす

Y. Ebihara and S. Watari

励起され，強い沿磁力線電流が発生する［41］．

太陽風構造として，ICME 前面のシース，ICME の本体，

惑星間空間磁場がしばらく南を向くと磁気嵐が発達し，共回転相互作用領域があげられる．惑星間空間磁場が南サブストームも起こりやすくなる．磁気嵐はサブストー

向きから北向きに転ずると対流電場が弱まり，主に電荷ムが集積した結果であるという考え方があるが，サブス交換反応によってイオンは次第に失われ，赤道環電流はトームが発生しなくとも磁気嵐が発達することがあり，衰退する．これが磁気嵐回復相である．

磁気嵐の発達にとってサブストームは必須ではなく，両磁気嵐中の赤道環電流は本質的に非対称で，H の変動者は独立した現象と考えてよいだろう．

量は地磁気地方時によって大きく異なる．磁気嵐の大き

SC の直後にサブストームが発生することがある［42］．

さの目安として，中低緯度の地磁気変動を経度方向に平孤立型のサブストームと同じようにオーロラの増光と電均 化 し た Dst（Disturbance storm time） 指 数 が よ く 用

離圏電流の急増が観測されるが，SC 直後のサブストーム

いられる．Dst 指数は柿岡，サンファン（プエルトリコ），は成長相が極端に短く，皆無の場合さえある．通常 1 時

ヘルマナス（南アフリカ），ホノルルの 4 地点で観測さ間程度の成長相を伴う孤立型のサブストームと同一視しれた H の変動分をもとに算出され， 1 時間値が公開されてよいかについて，議論が続いている．

ている．1957 年以降に記録された Dst 指数の最小値は－6．3．4．4

地磁気脈動

589 nT（1989 年 3 月 13 日）である．これら 4 地点より少地磁気が規則的にあるいは不規則的に振動することがし高緯度側にある 6 地点で観測された地磁気変動をもとある．地磁気脈動と呼ばれ，周期が 1 秒以上の振動につに 算 出 さ れ た の が SYM（symmetric disturbance field）

いては表 1 のような分類がなされている［43］．

指数で， 1 分値が公開されている．時間間隔を除き，Dst

一般に周期が長いほど振幅が大きい．例えば，2000 年

指数と SYM 指数に大きな違いはない．

7 月に発生した磁気嵐では，振幅約 100 nT の Pc5 帯地磁6．3．4．3

気脈動が高緯度地方で観測されている［44］．2003 年 10 月

サブストーム太陽風が高速で，南向きの惑星間空間磁場が 30 分～に発生した磁気嵐では，高緯度で振幅数 100 nT，西表島

数時間続くとサブストームと呼ばれる突発現象が起きるで振幅数10 nT の Pc5帯地磁気脈動が観測されている［45］．

［37］．サブストームの特徴はオーロラの急激な増光であ6．3．4．5

太陽フレア効果 （SEF）

る．このとき総量 10 A もの沿磁力線電流が流れ，電離圏

太陽フレアによって放射された X 線や極端紫外線に電流と接続してジェット電流を流し，主に極地方の地磁

よって電離圏が電離され，電気伝導度が上昇すると，主気を乱す．オーロラ・ジェット電流の強さを表す指標とに日照半球で地磁気が一時的に乱れる［46，47］．地磁気変して AE（auroral electrojet）がよく使われる．オーロラ

動の振幅は緯度や地方時によって異なるが，最大振幅は帯にあり，経度方向に概ね等間隔に分布した観測点（標数 10 nT に達する．SFE に伴う電流系は Sq が増強された

準的には 12 地点）で得られた地磁気変動をもとに算出さ形に近く，10 － 20 分間持続すると考えられている［48］．

6れる．地磁気変動を 1 枚のグラフに重ね合わせ，上側の6．4

包絡線を AU，下側の包絡線を AL とする．AU と AL の差すなわち AU–AL を AE とする［38］．AL は西向きのジェッ

地磁気誘導電場（GIE）

地磁気の時間変動によって誘導電場が発生すると説明

ト電流の大きさを，AU は東向きのジェット電流の強さされることがある．電磁波は上空から伝播することを考を表す．通常のサブストームでは AL の減少は－ 100 からえると，地磁気変動も誘導電場もどちらも結果であると－ 1000 nT 程度だが，まれに－ 3000 nT を超えることもあ

とらえたほうが物理的に適切で，GIC を理解する上でもる［39］．

有用かもしれない．本節では，電磁場の伝播に基づき，

中緯度ではジェット電流の影響を殆ど受けない．しか地磁気誘導電場と地磁気誘導電流の発生について考えてし，真夜中付近ではサブストームに伴って H が増加し元みる．

に戻るという湾型変化が見られる．ポジティブ・ベイとマクスウェルの方程式を直接解く有限差分時間領域法

呼ばれ，その原因として高緯度電離圏に接続する沿磁力（FDTD 法）を用い，電場 E と磁場 B の時間発展を求め

線電流が有力視されている［40］．ポジティブ・ベイの振表1

幅は数 10 nT と小さいが，時間変動率が大きいため，GICへの影響は無視できない［16］．
沿磁力線電流の急増もサブストームの特徴の一つである．発生メカニズムと発生領域は領域 1 型，領域 2 型電流とは異なるとされ，様々なモデルが提案されている．
最近，グローバル電磁流体シミュレーションの結果に基づき，以下のメカニズムが提唱されている．夜側の近尾部で発生した磁気再結合によってプラズマが地球向きに高速で流れ，地球近くで東西方向に分流する．東西方向に流れるプラズマが地球の磁場を引っ張る．つまり，磁気張力に対して負の仕事をする．このときアルベン波が281

地磁気脈動の分類．

規則的な地磁気脈動

周期Pc1

0.2 － 5 秒

Pc2

5 － 10 秒

Pc3

10 － 45 秒

Pc4

45 － 150 秒

Pc5

150 － 600 秒

不規則な地磁気脈動

周期Pi1

1 － 40 秒

Pi2

40 － 150 秒

Journal of Plasma and Fusion Research

Vol.100, No.6

June 2024

周期 60 秒の場合，表皮深さ δ は 123 km（σ ＝ 10－3 S/m のた．シミュレーション空間は横（x）100 km，奥行き（y）
100 km， 高 さ 600 km（z ＝ － 500 km か ら 100 km ま で ）場合），3.9 km（σ ＝ 1 S/m の場合）である．また，大地の直方体で，一様な x 方向の面電流を上端面に与えた．電に入射した電磁場は ωδ で与えられる位相速度で伝播す流は周期（T）60 秒で正弦的に変化し，電流の最大振幅はる． そ の 位 相 速 度 は 12.9 km/s（σ ＝ 10－3 S/m の 場 合 ），1 mA/m とした．完全吸収層（PML）を境界に置き，波を0.41 km/s（σ ＝ 1 S/m の場合）で，シミュレーション結果吸収させた．

もほぼ同じ値である．入射波の振幅を A，反射波の振幅を

全空間の電気伝導度をゼロとした場合の計算結果をR とすると，反射率 r は

図 3 に示す．縦軸は高さ z，横軸は時間 t で，上段は磁場（By）を，下段は電場（Ex）を示している．上端を流れ

r＝る平面電流によって発生した電磁場は光速で下方に伝播

| |
R
A

2

2
（1－ωδ/c）＋1＝（1＋ωδ/c）2＋1

する．電気伝導度がゼロであるため，伝導電流は流れなで与えられる．ただし，c は真空での光速である．周期 60い．磁場と電場は周期 60 秒で正弦的に変動し，磁場の最秒の場合，反射率 r は 0.9999139（σ ＝ 10－3 S/m の場合），

大振幅は 0.63 nT で，無限に広がる平面電流が作る磁場変0.9999973（σ ＝ 1 S/m の場合）で，完全反射（r ＝ 1）に近い．

動（＝ μ0J/2）0.63 nT と同じである．ここで，μ0 は真空

入射電場の殆どが反射されてほぼ打ち消されるため，大の透磁率である．しかし，計算値から求めた特性インピー

気中の電場は総じて小さい．電気伝導度が全空間でゼロ

ダンス（＝μ0|E|/|B|）は 617 Ω であり，真空の特性インの場合（図 3 ）と比べると，電場の振幅は約 4 桁近く小さ

ピーダンスの理論値である 377 Ω より約 1.6 倍大きい．波い．一方，大気中の磁場は増大する．

長（1.8 × 1010 m）と比べて格子の間隔（6 × 103 m）が極

大地には有限の電気伝導度があり，伝導電流（＝ σE）

端に短いため，丸め誤差の影響が現れていると考えられが流れる．図 4 右で示されているように電気伝導度が高る．1.6倍程度の誤差が含まれている可能性があるが，オー

いと地表付近の電場は弱まり，伝導電流は地表付近を流ダーでの議論であれば大きな支障はないとし，大地に入れるようになる．送電線のように電気伝導度の高い導射する電磁波について検討する．

体が置かれている場合も同じように導体内に電場が生

次に，z≤0 の領域を大地とみなし，有限の電気伝導度

じ，伝導電流が流れるようになると考えられる．このよを与え，同様のシミュレーションを行った．大地の電気

うにして生じた電場は地磁気誘導電場（geomagnetically伝 導 度 σ を 10－3 S/m（ 左 側 ） と し た 場 合 と，1 S/m（ 右induced electric field, GIE）
，電流は地磁気誘導電流（GIC）側）とした場合の計算結果を図 4 に示す．左側は岩盤層を，と呼ばれる．地磁気変動，地磁気誘導電場，地磁気誘導

右側は海水を想定している．実際の岩盤層の電気伝導度

電流はともに宇宙空間で電流が流れたことによる結果とは場所によって 4 桁近く異なるし，海底の深さは最大でいう意味で対等であり，どちらが原因ということはない．

も 10 km 程度であるから粗いモデルであることは否めな

実際の大地の電気伝導度は複雑である． 4 枚のプレー

い．上空から大地に入射する電磁場の性質を理解するこトが相接し，多くの火山帯が点在する日本列島の地下はとが目的なので，ご容赦いただきたい．大地に入射した

とくに複雑で，電気伝導度分布の全容はわかっていない．

電磁場は減衰を受けつつ，下方に伝播する．平面波が大

また，入射する電磁場には様々な周波数成分が含まれて地に垂直に入射し，σ/ωε0≫1 ならば表皮深さ δ はいる．周波数に応じて表皮深さが異なることもあり，地

δ＝

2
μ0σω

で与えられる．ω は電磁場の角周波数（＝ 2π/T）である．

図3

周 期60秒 で 正 弦 的 に 振 動 す る 一 様 な 平 面 電 流 を 高 さ
100 km の上端面に与えたときの磁場（上）と電場（下）．
電気伝導度は全領域でゼロとした．横軸は時間，縦軸は高さ (z) である．

図4

282

z ≤ 0の領域を大地とし，大地の電気伝導度を10ー3 S/m（左），1 S/m（右）とした場合の結果．上から順に磁場，電場，
電流密度を示す．入射電磁場と境界条件は図 3 と同じ．

Lecture Note

6. Impact of Solar Activity on Power Grid	Y. Ebihara and S. Watari

磁気誘導電場の空間分布は極めて複雑であることが予想
される．

6．5

地磁気誘導電流（GIC）

送電線など人工の導電体を流れる誘導電流を正確に求めようとするならば，送電網と大地が一体となった 3 次
元の空間に上空から伝播する電磁場を与え，伝導電流を計算する必要があるだろう．ところが送電線の直径は大地の空間スケールと比べて極端に小さく，送電網を含む
複雑な 3 次元空間で電磁場の伝播を解くのは極めて困難である．そこで，送電網が周囲の電磁場分布に影響を与えない仮定し，送電網にかかる起電力（誘導電場）を別の方法で求め，電流の保存則に基づき，送電網を流れる

図5

電流を導出する方法が提案されている［49］．閉じた送電網を考え，変電所など接地されている送電網の設備の数を N とする．設備 i の接地線を通り送電網と大地を流れる

変電所・発電所と地面間を流れる電流の計算例．一様な地
電場を東北東の方向に印可した．円の半径は各変電所等において送電網と地下を流れる電流の大きさを表し，青色は地面から送電網に流れる電流を，赤色は送電網から地面に流れる電流を示している（参考文献［50］の図 1 を引用）．

電流を Ii とすると，ベクトル I は次式で与えられる．
－1
I＝（1＋YZ）
J

くなる．一般的な傾向として，東西方向の地電場に対し（1）ては送電網の東西の端点で，南北方向の地電場に対してI の要素数は N である．Y は次式で表される送電線のアド

は南北の端点で GIC が増強しやすい．ジェット電流，赤ミッタンス行列（要素数は N × N）である．

道環電流，磁気圏境界電流は主に東西方向に流れるため，│ │ ││Yij＝

大地の電気伝導度が一様ならば東西方向の地電場が卓越

1
－ 	
Rij

i≠j

1
∑  	
k≠i Rij

i＝jするため，送電網の東西の端点で GIC が増強しやすくなることが予想される．しかし，電気伝導度分布の非一様（2）性のため地電場の分布は複雑になることが示唆されており［51］，GIC の流れ方は予想通りになるとは限らない．

Rij は i 点と j 点の間の送電線抵抗である．J は送電線の電

GIC を正確に求めるためには，正確な電気伝導度分布モ

流ベクトル（要素数は N）で，次式で与えられる．

デルに基づく精細な計算が不可欠である．

Vij
Ji＝ ∑  j≠i Rij

6．6

（3）

まとめ

GIC による送電システム障害の発生メカニズム，その原因となりうる宇宙環境変動，地磁気誘導電場と地磁気

Vij は i 点と j 点の間の誘導起電力，すなわち

Vij＝ E・dl

誘導電流の発生メカニズムについて概観した．GIC を正（4）確に予測するためには太陽から固体地球に至るまでの複雑な過程と送電網の電気的パラメータを正しく理解する

数は N × N）で，ことが不可欠である．磁気圏や電離圏を流れる電流につ │ │である．Z は接地抵抗に関するインピーダンス行列（要素

Zij＝

0

i≠j

Ri

i＝j

いては理解が進み，経験モデルによって地磁気変動をある程度再現できるようになった．ところが，原因のよく（5）わからない地磁気変動も多く，サブストームや地磁気脈動などを含む地磁気変動を詳細に再現することができる

で与えられる．Ri は i 点の接地抵抗である．

送電網に流れる GIC の計算例を図 5 に示す［50］．日本

モデルは皆無に等しく，チャレンジングな課題である．

の電力会社が公表している 187 kV 以上の電圧階級をもつ

また，大地の電気伝導度の分布もよくわかっていない．

送電網とそれに接続されている変電所と発電所に着目しネットワーク MT 法［52］と呼ばれる電磁探査によって広た．地図や航空写真から各施設の座標を決め，線路抵抗（単域の電気伝導度分布が得られつつあるが，電磁ノイズが位長さあたりの抵抗）と接地抵抗は全て同じと仮定した．

多い都市部直下の伝導度分布はほとんどわかっていない．

東北東の方角（地磁気的な東の方向）に一様な地電場

GIC に対する耐性が変圧器によって異なり，想定すべきE を与え，（ 1 ）式を用いて I を求めた．送電網の西側で送GIC の閾値を定めることが難しい．太陽活動による送電

電網に電流が入り，東側で地面に出ていくという傾向がシステム障害を最小化するため，太陽圏分野，磁気圏分野，

わかる．電場の方向に電流が流れようとするため，その電離圏分野，固体地球分野，電力事業者，変圧器メーカー

端点では大地と出入りする電流が大きくなるためである．

が連携し，GIC を予測するための研究の枠組みを構築・送電網の内部にある設備では流入する電流と流出する電維持することが望まれる．

流が拮抗するため，大地と出入りする正味の電流は小さ
283

Journal of Plasma and Fusion Research

謝辞Vol.100, No.6

June 2024［25］T. Iijima and T.A. Potemra, J. Geophys. Res. 83, 599(1978).
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京都大学工学部電気電子工学科の山田伸明氏と京都大学
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284