太陽フレア
太陽フレア(たいようフレア、Solar flare)とは、太陽における爆発現象。別名・太陽面爆発。
太陽系で最大の爆発現象で、小規模なものは1日3回ほど起きている。多数の波長域の電磁波の増加によって観測される。特に大きな太陽フレアは白色光でも観測されることがあり、白色光フレアと呼ぶ。太陽の活動が活発なとき(特に太陽極大期)に太陽黒点の付近で発生する事が多く、こうした領域を太陽活動領域と呼ぶ。太陽フレアの初めての観測は、1859年にイギリスの天文学者リチャード・キャリントンによって行われた(1859年の太陽嵐)。
「フレア」とは火炎(燃え上がり)のことであるが、天文学領域では恒星に発生する巨大な爆発現象を指している。現在では太陽以外の様々な天体でも確認されている。一例として、日本の国立天文台が運用するアルマ望遠鏡がプロキシマ・ケンタウリで観測した。
アメリカ航空宇宙局(NASA)によると、2012年7月には巨大な太陽フレアに伴う太陽風が地球をかすめた 。次の10年間に同程度のフレアが実際に地球を襲う確率は12%であると推定される。
太陽フレアは観測的には「数分から数時間のタイムスケールで起こる多波長の増光現象」と定義される。物理的には、太陽周囲の磁場エネルギーが急速に光・熱・非熱的な粒子のエネルギーに変換される現象であると理解されている。そのエネルギー解放量は1029 ergから1032 ergであり、水素爆弾10万〜1億個のエネルギーに相当する。太陽フレアが発生すると急激な増光と共に「フレアループ」と呼ばれる大きさ1~10万km程度のループ状のプラズマ構造が形成される。このフレアループは数千万度の温度に達し、熱的な制動放射により軟X線を放射する。また太陽フレアに伴って多量の非熱的粒子(10keV-1MeVの電子や10MeV-1GeVの陽子)が加速され、硬X線放射やガンマ線放射の原因になることがあるが、このような非熱的粒子の加速機構は分かっていないことが多い。また太陽フレアと同時に衝撃波やプラズマ噴出(太陽風)が発生し、時おりそれらは地球に接近して、突然の磁気嵐を起こすことがある。
太陽フレアの発生機構については、太陽活動領域中に蓄えられた磁気エネルギーが、磁気リコネクションによって熱エネルギーや運動エネルギーに変換されるという説が有力である。現在、太陽フレアを説明するモデルとしてCSHKPモデルがあるほか、柴田一成はCSHKPモデルを発展させた「フレアの統一モデル」を提唱した。フレア発生の際には太陽表面に2種類の特殊な磁場構造が生じていることが地球シミュレータによる詳細な計算シミュレーションと太陽観測衛星「ひので」による観測データの精密解析で明らかとなった。
フレアが発生すると、多くのX線、ガンマ線、高エネルギー荷電粒子が発生し、太陽表面では速度1000km/s程度で伝播距離50万kmにも及ぶ衝撃波が生じる事もある。またフレアに伴い、太陽コロナ中の物質が惑星間空間に放出されることがある(コロナ質量放出 (CME))。高エネルギー荷電粒子が地球に到達すると、デリンジャー現象、磁気嵐、オーロラ発生の要因となる。さらに、大規模なフレアの発生により太陽風が爆発的に放出されて太陽嵐となり、地球上や人工衛星などに甚大な被害を及ぼす恐れがある。
2003年には、大規模なフレアが頻発し、デリンジャー現象により、地球上の衛星通信、無線通信に多くの悪影響を与えた。また、地球磁気圏外では、フレア時のX線、ガンマ線による被曝により、人の致死量を超えることもある。
フレアの活動は、太陽活動周期や黒点の蝶形図(コロナの蝶形図)によって、関係付けを説明されることもしばしばある。
フレア時の高エネルギー荷電粒子の地球への到達、あるいは、フレアの発生そのものを観測・予報することは宇宙天気予報と呼ばれ、太陽研究者にとって重要課題となっている。
X線強度による等級は、現在最も広範に普及している太陽フレアの規模の指標である。太陽全面から放射されるX線強度の最大値によって、低い方からA, B, C, M, Xの5つの等級に分類されており、Xが一番強い。10倍ごと(1桁上がるごと)に1つ上の等級となる。各等級はさらに1-10未満の数字で区分され、これらを組み合わせて「C3.2」というように表される。例えば、X2フレア (2 x 10-4 W/m2)は、X1フレア (10-4 W/m2) の2倍の強度、M5フレア (5 x 10-5 W/m2)の4倍の強度であることを示す。Xクラスの上はないため、Xクラスの数字は10を超えることがある。
この値は、アメリカのGOES衛星が常時観測している大気圏外の波長100 - 800ピコメートルのX線の流束(単位:ワット毎平方メートル = W/m2)に基づく。
Hα等級は、GOES衛星の打ち上げ以前、太陽フレアの観測初期から用いられている太陽フレアの等級である。Hα線(Hアルファ線、バルマー系列のうち656ナノメートルの電磁波)の観測画像から得られる。Hα線の強度と放射面の広さの2要素からなる。強度は(f)aint(淡い), (n)ormal(並), (b)rilliant(鮮やか)の3つの等級で表され、放射面の広さは観測できる半球の太陽表面積6.2 x 1012 km2に占める百万分率によりS, 1, 2, 3, 4の5つの等級で表される。例えば並の強度・広さSクラスであれば"Sn"(normal subflare, 並のサブフレア)と表される。
名古屋大学宇宙地球環境研究所所長の草野完也教授らの研究チームは、電磁流体力学理論により巨大太陽フレアの発生位置を予測するモデルを開発し、『サイエンス』誌上で2020年に発表した。
アメリカ海洋大気庁(NOAA)の宇宙天気予報センター (SWPC)が行っている宇宙天気予報の中には3種の「NOAA宇宙天気スケール」があり、太陽フレアX線の強度を表すのは「Rスケール」で、主に無線通信障害(Radio blackouts)への影響=デリンジャー現象等の予測を目的とする。
日本の情報通信研究機構(NICT)の宇宙天気情報センター(SWC)が行っている宇宙天気予報の中にはフレア予報、地磁気予報、高エネルギー粒子(プロトン現象)の予報の3種があり、それぞれ15:00(JST, UTC+9)から24時間後までの予報を行っている。フレア予報の解説は以下の通り。
太陽嵐が起こると、8分程度で電磁波が地球に到達して電波障害が生じ、数時間で放射線が到達。数日後にはコロナからの質量放出が地球に届き、誘導電流が送電線に混入し、電力系統がおかしくなる。ただ単に停電するのではなく、電機・電子系統に瞬断やEMP(電磁パルス)被害が出る。特に宇宙空間にある衛星(通信衛星、GPS衛星、気象衛星、偵察衛星など)や、巨大なアンテナとして働く送電線の被害が起こる。
100年に一度の頻度で発生する極端な宇宙天気現象(エクストリーム・イベント)によって次のような被害が生ずると考えられる。
HF(短波)は発生直後から2週間に渡り断続的に使えなくなる。VHF・UHFは2週間に渡り昼間使えなくなる。携帯電話も昼間使えなくなる。L帯を用いる衛星通信も2週間断続的に使えなくなる。同様にレーダーも使えなくなる。
断続的に数十mの誤差、ないし測位不能の状態になる。
帯電により多くの衛星が機能の一部ないし全てを喪失する。太陽電池が大幅に劣化する。空気抵抗の増大で低軌道の衛星の運用寿命が極端に短くなる・落下する。軌道が乱れデブリの発生リスクが増大する。
保護装置が誤作動し大規模停電になる。一部変圧器が加熱して損傷する。
これ以外にも想像していない被害に見舞われる恐れも有る。
これらの被害により生産、輸送、インフラの多くが連鎖的に機能喪失、膨大な二次被害が生じる。被害の全容を想定する手法は定性的にも定量的にも確立されていない。
被害の実例としては、カナダのケベック州で大停電を引き起こした1989年3月の磁気嵐や、人工衛星「あすか」の機能停止(2000年)、小惑星探査機はやぶさにダメージが生ずる(2003年11月4日X28フレア)などがある。
2022年2月にスターリンク衛星が49機まとめて打ち上げられたが、うち40機が空気抵抗の増大で落下し失われた。
衛星観測が始まって以来のフレア等級で過去最大だったのは、2003年11月4日のフレアである。このときはGOES衛星でX28を記録したことが報じられたが、後に電離層への影響から更に大きいX45相当であったとする研究も報告されている。
太陽以外の恒星で度々観測される超巨大なフレアを「スーパーフレア」と呼び、太陽でも過去に起き、今後も発生する可能性があると警告する研究者もいる。屋久杉の年輪などに痕跡が残る「775年の宇宙線飛来」発生源についての仮説の一つでもある。
2008年、全米科学アカデミーは『激しい宇宙気象――その社会的・経済的影響の把握』という題の報告書を発表した。書面では、強力な太陽フレアが地球の磁場を混乱させ、強力な電流によって高圧変圧器が故障し、大規模な停電を引き起こす恐れについて指摘されている。もしそうなれば、米国だけで最初の1年間で1兆〜2兆ドルの被害が出て、完全復旧には4年〜10年かかることが予測される。大型の変圧器は調達に年単位の時間がかかり、電力網が世界規模で破壊された場合に生産はほとんど出来ないとされる。また超高圧送電線の敷設にも時間がかかる。