太陽がくしゃみをし、宇宙船が銃撃戦に巻き込まれる

有人宇宙活動の頻度が増加するということは、対処すべき宇宙気象災害の課題がますます増えることを意味します。

淡いオーロラは、独特の自然景観です。一般的に、北極や南極の高緯度地域に住む人々だけがその美しさを目にすることができる幸運に恵まれています。オーロラの出現には、大気、磁場、高エネルギー荷電粒子という 3 つの条件が必要です。太陽は、莫大なエネルギーを持った荷電粒子を宇宙空間に絶えず放出しています。これらの粒子が地球に近づくと、地球の強い磁場によって乱され、北極と南極に飛んでいきます。大気中の分子と擦れ、衝突することでオーロラ現象が発生します。色鮮やかなオーロラに加えて、肉眼では見えない底流もいくつか存在します。太陽からの高エネルギー荷電粒子は地球の磁場と相互作用し、地球の電離層、磁気圏、中層大気および上層大気にさまざまな変化を引き起こします。太陽活動と密接に関係する、太陽と地球の間の空間で起こるこの変化現象を、人々は総称して宇宙天気と呼んでいます。

1991年5月にスペースシャトルディスカバリー号が撮影したオーロラ

1994 年 11 月、米国は「宇宙天気」を、太陽の近く、太陽風、地球の磁気圏、電離圏、熱圏における宇宙および地上の技術システムの運用と信頼性に影響を及ぼし、人間の健康と生命を危険にさらす状態と定義しました。宇宙天気の形成メカニズムは複雑です。太陽風などの過度に激しい太陽活動は、地磁気嵐、熱圏嵐、ヴァン・アレン放射線帯の外側の拡大、電離層特性の変化などの危険を引き起こし、地球上の人間の通常の生活を危険にさらし、地球近傍宇宙衛星の正常な動作を妨害し、さらには宇宙空間にいる宇宙飛行士の生命に脅威を与える可能性があります。

太陽：すべての生き物の怒りの母

大気中の従来の気象変化は、最終的には太陽の変化に起因します。太陽との距離が近く日照時間が長いのが夏、太陽との距離が遠く日照時間が短いのが冬です。 「冬が来て夏が去り、秋は実り、冬は蓄える」、「雲は雨をもたらし、露は霜に変わる」という諺、さらには洪水、干ばつ、イナゴの大量発生などの自然災害も太陽活動と密接に関係しています。

宇宙天気という新たな概念は太陽活動に直接関係しています。太陽は核融合反応を継続的に行い、高温の電離ガスを継続的に放出しています。静穏状態において、太陽が恒星間空間に物質を継続的に放出する現象を太陽風といいます。太陽風は時速100万〜1000万キロメートルの速度で吹き、毎秒100万トンの物質を宇宙に運びます。太陽風が地球の磁場に遭遇すると、地球の磁場は「吹き飛ばされ」て変形し、太陽に向かって涙滴型の磁気圏が形成されます。この磁気圏の存在により、太陽風は遮断され、地球の大気に大きな干渉を与えることができず、地球表面の大気や水分が太陽風によって侵食され、吹き飛ばされることが防止されます。磁気圏は地球を守る傘であり、地球が生命を育むための重要な条件の一つであると言えます。

太陽風の影響下にある地球の磁気圏の模式図。天体の大きさと距離は比例しません。

しかし、太陽はいつも穏やかではなく、しばしば「くしゃみ」をします。太陽活動は緩やかなものと爆発的なものの2種類に分けられます。太陽黒点やコロナホールなどの太陽の異常な構造は緩やかな太陽活動に属し、太陽フレアやコロナ質量放出は爆発的な太陽活動に属します。

典型的な太陽現象によって放出されるエネルギーは、広島型原子爆弾の数千億個の爆発によって生み出されるエネルギーとほぼ同等です。太陽嵐が発生すると、太陽風と地球の磁場の相互作用が強まり、バランスが崩れて地球の磁気圏に劇的な変化が生じます。地上および地球近傍空間の磁場が激しく乱され、地上回路、通信機器、各種衛星に損傷や故障を引き起こします。これが地磁気嵐現象です。

史上最強の磁気嵐：キャリントン現象

1859 年 9 月 1 日に発生したカリントン イベントは、これまでに記録された中で最も強力な地磁気嵐でした。これは人類が観測した初めての太陽フレアであり、これまでで最も強い太陽フレアでもありました。この事故により、米国とヨーロッパの約20万キロメートルの電信線が機能停止した。極地のオーロラは非常に明るいので、夜にはオーロラの真下で本や新聞を読むこともできます。ハワイやカリブ海などの中低緯度地域でも前例のないオーロラが出現した。しかし、163年前の人類には衛星技術も無線通信技術もなかったため、このような激しい磁気嵐による宇宙天気の変化は人々の生活に大きな影響を及ぼすことはありませんでした。

1859 年 9 月 1 日のカリントン イベント中のリチャード カリントンの太陽黒点

しかし、もし今日、別のキャリントン事件が起こったら、その結果は悲惨なものとなるだろう。磁気嵐により電力供給網に誘導電流が発生し、変圧器に過負荷がかかったり、完全に焼損したりして、世界中の電力網が完全に麻痺することになります。すべての衛星は廃棄され、通信は完全に中断され、ナビゲーションシステムは正常に機能せず、船舶や飛行機は首のないハエのようになり、これによって引き起こされるすべての直接的または間接的な損失が回復するには約4年から10年かかります。中国科学院近地球宇宙環境重点実験室の予測によれば、世界全体の損失は約2兆ドルに達するだろう。

衛星時代を迎えた人々は、まだカリントン・イベントレベルの宇宙天気災害を経験していないが、それより弱い力で起こるいくつかのイベントは、依然として人々を不安にさせている。

1989年3月にカナダのケベックで発生した事故では、市の電力系統が9時間にわたって遮断され、600万人の住民が電気のない寒くて暗い夜を過ごし、直接的な経済損失は5億ドルに達しました。ケベック州のすべての軍事レーダー基地は機能停止しており、北米航空宇宙防衛司令部はケベック州が核攻撃を受けたとさえ考えていた。

2000年のバスティーユ嵐により、米国の気象衛星GOES-8とGOES-10のセンサーが故障し、GPSナビゲーション衛星が数時間にわたって機能停止し、宇宙ステーションの先進的組成探査衛星（ACE）の太陽風速度検出器が故障し、国際宇宙ステーションの軌道が15キロメートル低下した。最も大きな被害を受けたのは日本の天文観測衛星「ASCA」だった。ソーラーパネルは正常に機能しませんでした。 2か月間の救助活動の後も、スタッフは故障を宣言し、最終的に衛星との通信は途絶えました。

熱圏嵐が衛星軌道に与える影響

熱圏嵐は地磁気嵐の付随現象であり、地球近傍衛星の軌道に直接影響を及ぼします。熱圏は、地表から 100 キロメートル以上の高さにある、比較的高温の薄い大気層です。熱圏嵐が発生すると、大気が加熱されて膨張し、大気の循環に変化が生じ、上層大気の密度が大幅に増加します。低軌道を飛行する宇宙船が受ける大気抵抗は指数関数的に増加し、時間内に軌道を上げることができない宇宙船にとっては致命的な打撃となるでしょう。大気の抵抗が大きすぎると、宇宙船の走行速度が急速に低下し、軌道高度が急速に低下し、大気圏への再突入が早まり、寿命が尽きてしまいます。

この影響を受けた最も有名な宇宙船は、米国のスカイラブ宇宙ステーションでした。スカイラブは1973年5月14日にサターンVロケットによって打ち上げられました。 NASAはこの76トンの巨大探査機に大きな期待を寄せている。 3回の有人飛行ミッションの後、「スカイラブ」は、スペースシャトルの打ち上げが成功して燃料補給と軌道上昇が行われるのを待つミッション期間に入った。当時、スカイラブは約 435 キロメートルの軌道上にあり、技術者たちはスペースシャトルの到着を待って 1983 年まで宇宙で運用を続けると予想していました。しかし、1981年にスペースシャトルの開発が成功するまで、太陽黒点の活動が予想以上に激しくなり、地球の上層大気が加熱されて膨張し、抵抗が増大したため、スカイラブは1979年までしか持続できませんでした。1979年7月11日、スカイラブは残念ながら大気圏に再突入し、燃え尽きました。

スカイラブ

スカイラブの残骸がオーストラリアに落下

ヴァン・アレン放射線帯が衛星電子システムに与える影響

大気の密度の増加により衛星の軌道が急速に減衰するだけでなく、厳しい宇宙天気が衛星自体の電子システムにも影響を及ぼす可能性があります。地球上の高度1,000～60,000キロメートルの範囲には、地球の磁場によって束縛された高エネルギーの荷電粒子が多数存在します。それらは地球を取り囲むヴァン・アレン放射線帯に集まります。太陽嵐が発生すると、ヴァン・アレン放射線帯は外側に拡大し、範囲が拡大し、もともと放射線帯の外側にあった宇宙船を脅かすことになります。

ヴァン・アレン放射線帯の模式図。内側のベルト（赤）は主に陽子で構成され、外側のベルト（青）は主に電子で構成されています。

荷電粒子の急激な増加により、衛星の表面は最大数万ボルトの電圧まで帯電します。電気が一定レベルまで蓄積されると、特定の先端や隙間から放電し、衛星の保護層を瞬時に突き破ります。一部の高エネルギー粒子は衛星に直接侵入し、衛星の回路やチップに衝撃を与えてその性能に影響を与え、ひどい場合には衛星の故障を直接引き起こす可能性があります。不完全な統計によると、衛星回線システムの障害の約 90% は異常な太陽活動に関連しています。

米国の国家宇宙天気戦略計画の統計によると、米国における宇宙天気による損失は毎年数千万ドルに上ります。 1998年、米国のギャラクシー4静止通信衛星が太陽嵐のために故障し、米国のファックスおよびポケットベルサービスの80%が麻痺した。私の国も、衛星技術がまだ未熟だったころ、宇宙天気の変化による損失を被りました。 1988年9月に打ち上げられた気象衛星「風雲1A」はわずか39日間しか正常に運用されず、1990年11月に打ち上げられた気象衛星「風雲1B」はわずか165日間しか正常に運用されなかった。搭載コンピューターは厳しい宇宙天候により損傷し、設計寿命の1年に達しませんでした。その後、我が国は衛星の故障から得た教訓を深く反省し、困難を克服し、我が国の衛星の耐放射線性を大幅に向上させました。 1999年5月に打ち上げられた風雲1号C衛星は、設計寿命が2年であったが、ほぼ5年間正常に運用され、大復活を遂げた。

風雲1号衛星

電離層嵐は電波伝播に影響を与える

太陽活動は地球の電離層の乱れを引き起こし、電離層嵐を引き起こすこともあります。電離層は、高度 60 ～ 1000 キロメートルにある、荷電粒子を含む大気の領域です。高度が変化すると、電離層はまるで空の鏡のように、さまざまな周波数帯の電磁波を反射、屈折、吸収します。人類が無線通信に頼っているのは、この空の鏡なのです。

電離層嵐が発生すると、電離層内の荷電粒子の密度、電界分布、磁界分布などが数ミリ秒単位で急激に変動し、変動幅は80％以上にも達し、電波の反射、屈折、吸収、分散、ドップラー周波数シフトが急激に変化し、通信衛星、航法衛星、リモートセンシング衛星などの情報が損傷したり、完全に失われたりすることがあります。荷電粒子は衛星の太陽電池パネルに衝突する可能性があり、これが衛星の太陽電池パネルの性能低下の原因となります。深刻な場合には、衛星への電力供給が不十分になったり、衛星全体の電源が切れたりすることもあります。

電離層内の小規模荷電粒子の密度が不均一になると、無線信号の強度と位相が変動します。この現象は「電離層シンチレーション」と呼ばれます。さらに、荷電粒子の大規模な不均一な密度により、無線信号の屈折経路が曲がり、地上の追跡衛星が信号を受信する際に偏差が発生する可能性があります。さまざまな小規模および大規模の電離層嵐エラーが蓄積すると、衛星信号の信号対雑音比が低下し、パケット損失率が増加し、ナビゲーション衛星エラーが増加し、リモートセンシング衛星画像の解像度が低下し、衛星信号が完全に中断されることもあります。たとえば、2003 年 10 月下旬のハロウィーンの太陽嵐の際には、米国の GPS ナビゲーション衛星は電離層嵐のために 30 時間停止を余儀なくされました。 2017年9月に強力な太陽フレアが発生し、米国のGPSや我が国の北斗などの衛星測位システムの誤差が通常の数倍に増加しました。我が国の南シナ海などの低緯度地域では電離層のシンチレーションが発生しやすい。海上衛星技術が未熟だった時代には、船舶が海上衛星信号を失うことはよくありました。

2012年3月6日にNASAのSDO観測所が捉えたXクラスの太陽フレア

宇宙放射線が宇宙飛行士に及ぼす害

宇宙にいる宇宙飛行士も、宇宙気象災害の脅威に常に直面しています。

宇宙飛行士は宇宙で潜在的な放射線の脅威に直面する

高エネルギーの荷電粒子は人体の細胞組織に浸透し、体内の分子をイオン化し、DNAなどの遺伝物質に損傷を与えることさえあります。細胞の正常な機能が破壊されます。放射線量が少ないと内分泌障害などの症状を引き起こします。重症の場合、DNAの変異や細胞がんを引き起こすこともあります。研究者らは、宇宙飛行士がカリントン・イベントと同規模の太陽フレア現象を経験すると、急性放射線症に罹患し、死に至る可能性もあると指摘した。船外活動を行った宇宙飛行士は、目を閉じても消えない異常な閃光を目に感じたと報告した。地上からの分析により、これは高エネルギー粒子による網膜への衝撃によって引き起こされたことが判明した。

そのため、宇宙ステーションの外壁には宇宙放射線による宇宙飛行士へのダメージを最小限に抑えるための特殊な材料が必要であり、宇宙飛行士がミッションに費やす時間も長くなりすぎないようにする必要があります。

まとめると、宇宙天気現象の原因は複雑です。人間の制御を超えた太陽は、いつでも地球にくしゃみをし、地球の磁気圏、電離圏、熱圏、地表のさまざまな物理的性質に劇的な変化を引き起こし、人類社会の円滑な運営と健全な発展に脅威を与える可能性があります。現在、宇宙天気に関する研究はまだ進行中です。いつの日か、私たちは宇宙天気の発生メカニズムと変化する法則を完全に理解し、より容易に冷静に宇宙天気現象に立ち向かえるようになると信じています。