宇宙には良い天気と悪い天気があるのでしょうか？科学者が「宇宙天気」の秘密を明かす丨世界宇宙週間

世界宇宙週間は毎年10月4日から10日まで開催されます。 2024年世界宇宙週間のテーマは「宇宙科学と気候変動」です。

私たちは現在、前例のない気候問題に直面しており、宇宙科学はこれらの問題を理解し解決するための鍵となりつつあります。太陽活動から地球の大気との相互作用まで、宇宙と気候変動のつながりはますます顕著になってきています。 2024年世界宇宙週間を機に、中国科学普及協会は国家宇宙天気監視早期警報センターの楽貴明研究員を招き、宇宙科学、特に宇宙天気が人類と地球に与える影響を広く一般に公開しました。

Q: 宇宙天気とは何ですか? それは私たちの日常の天気と同じですか?

A: 大まかに言えば、宇宙天気とは太陽系全体の物理的な状態です。人類は地球上に住んでおり、ほとんどの衛星は地球の周りの宇宙空間にあるため、人々が最も懸念しているのは地球の周りの宇宙空間の物理的状態です。狭義には、地球の周りの宇宙空間の物理的状態が宇宙天気である。

宇宙天気には、主に宇宙磁場や宇宙の荷電粒子の強度の分布と変化が含まれます。これにより、電力網の安全性、短波通信、石油パイプラインなどの地下パイプラインの寿命、ナビゲーションと測位（高緯度上空の飛行ルートに影響）、衛星の電子機器、航空機の乗客と宇宙飛行士の健康、低軌道衛星の軌道高度など、宇宙ベースおよび地上ベースの技術システムに一連の悪影響が生じることになります。

宇宙天気は日常の天気とは異なります。宇宙天気は主にプラズマの動きによって引き起こされますが、宇宙天気は中性大気の動きによって引き起こされます。しかし、天気が良いときもあれば悪いときもあります。

Q: 宇宙天気に影響を与える要因は何ですか?

回答：宇宙天気に影響を与える主な要因は太陽活動であり、その他の要因には季節が含まれます。

Q: 一般的な宇宙天気現象とは何ですか?

回答：磁気圏高エネルギー陽子増強事象、磁気圏高エネルギー電子増強事象、地磁気嵐、突発的電離圏擾乱、電離圏嵐、熱圏嵐。

Q: 天気の周期は3～ 65日ですが、宇宙の天気の周期はどのくらいですか?

答え：宇宙天気は太陽活動によって制御されます。したがって、太陽活動の周期は宇宙天気の周期であり、その周期は 9 年から 14 年の範囲であり、つまり、太陽活動の周期にはそれより短いものもあれば長いものもあります。統計分析により、太陽活動周期の長さは大体11年に近い10.6年前後であることがわかりました。より長い時間スケールでは、約 22 年、約 100 年、さらに長い周期が存在します。

Q: 先ほど、宇宙天気は日常の天気と同じように、良い場合もあれば悪い場合もあるとおっしゃっていました。では、極端宇宙天気とはどのような宇宙天気なのでしょうか?極端な宇宙天気現象の主な種類は何ですか?極端な宇宙天気は人間の活動にどれほど大きな影響を与えるのでしょうか?

回答：極端な宇宙天気現象とは、宇宙ベースおよび地上ベースの技術システムに非常に大きな影響を与え、非常にまれにしか発生しない現象を指します。イベントの発生頻度が 1‰ より低いかそれに近い場合。例えば、レベルC以上の太陽フレアのうち、レベルX5以上のフレアの割合が1‰に近い場合、それは極端現象と言えます。磁気嵐イベントについては、国際社会は一様に、Dst が -250 nT 以下の磁気嵐を超磁気嵐と呼んでいます。ピークフラックスが 10^4 (粒子数/平方センチメートル × 秒 × 立体角) を超える太陽陽子イベントは、スーパー太陽陽子イベントと呼ばれます。相対論的エネルギーを伴う太陽陽子現象も極端な宇宙天気現象です。静止軌道上の 2MeV を超えるエネルギーを持つ電子の 1 日あたりの積分は、7‰ 未満の割合で 2x10^9 (cm^2·sr·d)^-1 を超えており、これも極端な事象です...

極端な宇宙天気現象は非常に有害です。極端な事象により、1 つまたは複数の衛星が破壊され、衛星が永久に故障したり、衛星の機能が大幅に低下したりすることがあります (2000 年 7 月 14 日の太陽爆発では、衛星が永久に故障し、複数の衛星の機能が大幅に低下しました)。また、1 つまたは複数の電力網が破壊される可能性もあります (たとえば、1989 年 3 月 10 日の太陽の爆発により、カナダのケベック州の電力網が破壊され、カナダのケベック州で大規模な停電が発生しました。また、2003 年 10 月 28 日の太陽の爆発により、スウェーデンのマルメで大規模な停電が発生し、国内の複数の電力網に潜在的な脅威が発生しました)。数時間にわたって短波通信が中断される可能性があります (2003 年 10 月 28 日の太陽爆発により、満州里で 5 時間にわたって短波通信が中断されました)... 極端な事象が非常に深刻な場合は、複数の衛星と複数の電力網が破壊される可能性があります...

Q: 先ほど、宇宙天気は主に太陽活動によって制御されているとおっしゃっていましたね。では、太陽活動サイクルの中で、極端な宇宙天気は通常いつ発生するのでしょうか?

回答：そのうち65％以上は太陽活動周期の衰退期に発生し、80％以上は太陽黒点活動のピークの2年前と3年後に発生します。さらに、磁気圏との相互作用によって形成される極端な宇宙天気は、主に春分と秋分付近で発生します。

1976年から2018年までのX5クラスのフレア

1932年から2018年までの超磁気嵐。赤い実点は、太陽の北半球でのコロナ質量放出イベントによって超磁気嵐が発生したことを表し、青い実点は、太陽の南半球でのコロナ質量放出イベントによって超磁気嵐が発生したことを表します。

1932年から2018年までの月ごとの非常に大きな磁気嵐の数

1987年から2019年までのさまざまな月における、2MeV以上のエネルギーを持ち、109d^−1cm^−2sr^−1を超える電子の日々の積分

Q: 長期的な太陽黒点数で表わされる太陽活動と極端な宇宙天気現象との関係について何か発見されたことはありますか?

回答：統計的研究によると、太陽黒点数で表される太陽活動サイクルが強いほど、全体的な極端な現象の数が多くなりますが、極端な太陽活動現象の最大強度と太陽黒点数で表される太陽活動サイクルの強度との間の相関係数は非常に低く、つまり、弱い太陽活動サイクルでは強い太陽活動サイクルよりも深刻な宇宙天気現象が発生する可能性があることがわかりました。

太陽活動周期の振幅と太陽活動周期中の極めて大規模な磁気嵐の数との相関関係

太陽活動周期の振幅と太陽活動周期内で最も強い磁気嵐との相関関係

質問: 極端な宇宙天気現象が発生した場合、極端な宇宙天気現象によって引き起こされる被害を最小限に抑えるためにはどのような対策を講じるべきでしょうか?

回答：原則として、すべての宇宙船は、極めて過酷な環境でも宇宙船が正常に動作できるように、放射線に対して十分に強化することができます（コストは大幅に増加します）。経済的かつ効率的であるため、特定の軌道にのみ過剰な放射線硬化を施すことができます。

一般的に、宇宙船の場合、厳しい宇宙気象条件下では、荷電粒子による攻撃を受けやすい電子機器は一定期間停止することが考えられます。

低軌道宇宙船の場合、衛星の軌道高度をわずかに上げることができます。宇宙飛行士については船外活動は中止されるべきだ。電力網の場合、電流を下げる必要があります（または、電力網変圧器の電力を十分に増加させる必要がありますが、コストは大幅に増加します）。高緯度を横断するフライトの場合、ルートを変更するか、フライトをキャンセルする必要があります（そして、異常事態が収束した後に再開します）。漁師たちは沖合での操業を中止し、時間通りに帰宅すべきだ...

Q:科学者は現在、宇宙天気現象をどのように監視し、予測しているのでしょうか?どれくらい先まで予測できるのでしょうか?精度はどのくらいですか？

回答：宇宙天気の監視は地上ベースと宇宙ベースに分かれています。地上監視ネットワークは、太陽活動、惑星間および地球の磁場、電離層、中層および上層大気などを監視できます。宇宙ベースのシステムは、宇宙船が位置する宇宙環境（プラズマ情報、高エネルギー粒子情報、磁場情報など）を監視し、太陽活動を遠隔測定し、太陽に近い場所での観測を行うことができます。宇宙ベースの監視を通じて、中層・上層大気、電離層、磁気圏、惑星間空間、太陽の全領域監視が可能になります。

多数の異なる事象の事例分析、および多数の事象に関する統計研究と数値シミュレーション研究を通じて、宇宙天気の多くの統計モデルと数値モデルが確立されてきました。これらのモデルは宇宙天気予報に使用されます。宇宙天気予報は、約1時間先のナウキャスト、1～3日先の短期予報、27日先の中期予報、3か月以上先の長期予報に分かれています。突発的な太陽爆発現象（フレアやコロナ質量放出）の予測精度は依然として比較的低い。相対的に言えば、磁気嵐の予報精度ははるかに高くなっていますが、磁気嵐の強さを正確に予測することは依然として非常に困難です。電離層嵐や中層・上層大気の密度変化の予測精度は高くありません。

Q: 宇宙天気研究の新しい傾向は何ですか?

回答：研究のレベルは観測のレベルと使用される研究方法の洗練度に依存するため、宇宙天気研究の新しい傾向は、まず太陽の多角度画像観測、惑星間空間（非直線）の多点現地観測の強化、磁気圏空間の多点現地観測の強化、北極と南極のオーロラの連続観測などの観測を強化することです（いずれも多額の資金が必要です）。

これまでは、突発的な宇宙天気現象の物理的メカニズムと統計的研究が中心に研究されてきました。現在では、ディープラーニングや機械学習などの手法を導入し、物理的なメカニズムや統計的研究と組み合わせて、さまざまな種類の宇宙天気現象の研究が行われ始めています。

Q: 今年の世界宇宙週間のテーマは宇宙科学と気候変動です。宇宙と天気に関する長期研究の観点から、太陽活動と地球の天気や気候にはどのような関係があるのでしょうか?

回答：長期観測により、太陽黒点が多い時期（太陽活動が活発な年）にはプラムレインベルトが大幅に北に移動し、太陽黒点が少ない時期（太陽活動が低い年）にはプラムレインベルトが大幅に南に移動することがわかっています。

太陽活動が活発な年には、淮河流域の降水量が増加し、降水範囲も広くなります。太陽活動が低い年には、淮河流域の降水量は少なくなり、降水範囲も狭くなります。

地球の大気中のオゾンの量は、一般的に太陽活動の強度と反比例しており、太陽活動が低い年には気温が低くなり、太陽活動が活発な年には気温が高くなります。

太陽活動が活発な年には宇宙線の強度が低下し、雲や降雨量が減少するため、気温が上昇しやすくなります。逆に、太陽活動が低い年には気温が下がります。

太陽活動を通じて気候に影響を与える主な要因は、太陽放射の総強度です。長期的には、太陽放射の総強度は固定値ではなく、わずかに変動します。

総太陽放射定数とは、太陽と地球の間の平均距離において、単位時間あたりに太陽光線に垂直な地球の大気圏上層境界で単位面積あたりに受ける太陽放射の総エネルギーを指します。

専門家によるサポート：国立宇宙天気監視早期警報センター研究員、ル・ギミング氏

制作：中国科学普及協会 x 中国気象学会 x 中国航行学会