宇宙船は制御を失い、宇宙ステーションは落下した。その背後にいる「犯人」は...

宇宙天気は太陽活動によって制御されます。太陽の爆発によって発生した電磁波、高エネルギー粒子、高速プラズマは惑星間空間を伝播して地球に到達し、地球の磁気圏、電離層、中層・上層大気に一連の劇的な変化を引き起こし、宇宙天気を悪化させます。実際、宇宙活動の増加と関連アプリケーションの普及に伴い、宇宙の「晴れ、雨、雪」の天気である宇宙天気が、人類社会の正常な運営にますます大きな影響を与えています。同時に、宇宙天気は電力網に壊滅的な影響を及ぼす可能性があり、それが社会が依存するインフラに致命的な影響を及ぼす可能性があります。

太陽の高エネルギー粒子は衛星の安全性に大きな脅威をもたらす

宇宙船の見えない殺人者

1991年5月、我が国の風雲1号B衛星は、宇宙に出てまだ半年しか経っていなかったが、突然制御を失い、ひっくり返り始めた。管制官が問題を発見して対策を講じた時には、衛星の推進剤はすでに噴出していた。設計寿命が1年だったこの衛星は、わずか半年で早期に廃棄されなければならなかった。 2003年10月から11月にかけて、日本の地球観測衛星ADEOS-2は地上との通信が途絶え、廃棄された。火星のはるか遠くにある探査機「マーズ・オデッセイ」の科学探査機も予期せず動作を停止し、回収できなかった。他の多くの衛星も通常の稼働状態を終了し、リスクを回避するためにセーフモードに切り替えました。これらすべては、太陽からの高エネルギー粒子と地球近くの高温プラズマによって引き起こされます。宇宙気象条件が厳しい場合は、非常に頻繁に発生し、宇宙船の安全性に脅威をもたらします。

太陽からの高エネルギー粒子の発生源は主に 2 つあります。一つは太陽フレアです。太陽表面での急速なエネルギー放出のこの現象によって生成される高エネルギー粒子は、地球に到達するまでに数十分しかかからないことが多く、地球への衝突の期間は数時間から数日に及びます。もうひとつは、太陽から噴出する高速プラズマの塊で、宇宙天気学者はこれを「コロナ質量放出」と呼んでいます。コロナ質量放出が地球に向かって伝播するにつれ、その進行を妨げる惑星間空間のプラズマが押しつぶされ、惑星間衝撃波が発生し、それとともに前方に伝播します。惑星間衝撃波は高エネルギー粒子の生成を加速します。惑星間衝撃波が地球に到達すると、地球付近の高エネルギー粒子の流量が増加します。同時に、コロナ質量放出は地磁気嵐を引き起こし、地球の磁気圏システムに高温のプラズマを注入することもあります。

太陽フレア現象

宇宙船のマイクロエレクトロニクス部品にとって最も恐れられるのは、高エネルギー粒子の高エネルギー部分です。これらの高エネルギー粒子は電子部品を貫通し、データエラー、回路の機能不全、コンピュータの麻痺を引き起こし、衛星の異常や故障を引き起こし、さらには衛星を完全に破壊する可能性もあります。比較的エネルギーが低い高エネルギー粒子は、宇宙船内の回路基板、配線、その他の場所に電荷を蓄積させ、宇宙船の正常な動作を妨げる可能性があります。熱プラズマの個々の粒子のエネルギーは高エネルギー粒子ほど高くなく、宇宙船の内部に浸透することはできませんが、宇宙船の表面に蓄積されると表面の充電と放電の影響も引き起こし、宇宙船の正常な動作を妨げ、損傷を引き起こすこともあります。

宇宙で活動する宇宙飛行士にとって、高エネルギー粒子は生命と健康に深刻な脅威をもたらします。フレアやコロナ質量放出などの太陽嵐が地球に影響を及ぼす際に、高エネルギー粒子束のレベルに基づいて宇宙飛行士が慎重な防護措置を講じない場合、推奨レベルを超える放射線量にさらされる可能性があります。 2003 年 10 月から 11 月にかけて太陽嵐が続いた間、国際宇宙ステーションの宇宙飛行士は危険を避けるためにより保護力の高いモジュールに移動しました。

オーロラは太陽嵐が地球に与えた贈り物だが、オーロラ活動が活発になると電力網へのリスクも増大する。

宇宙ステーションの早期落下の犯人

地球の大気の密度は高度が上昇するにつれて急速に減少し、LEO軌道の高度数百キロメートルですでにかなり薄くなっています。しかし、高速宇宙船の場合、ここでの大気抵抗は依然として無視できないものとなります。エンジンを積極的に使用して軌道を維持しなければ、宇宙船の軌道は衰え続け、軌道高度はどんどん低くなり、最終的には落下してしまいます。太陽フレアによって生成される電磁放射と、コロナ質量放出によって引き起こされる磁気嵐による中層および上層大気の加熱により、LEO軌道上の大気密度が通常よりも増加します。この影響下では、宇宙船は追加の軌道維持を実行する必要があり、そうしないと予期しない事態に遭遇する可能性があります。

米国のスカイラブの予定外の墜落は、この影響の最も典型的な例です。スカイラブはアメリカ合衆国の第一世代の宇宙実験室でした。 NASAの計画によれば、1973年に打ち上げられたこの宇宙ステーションは1980年代まで運用され、スペースシャトルとともに宇宙実験を行うはずだった。しかし、1970年代半ばのNASAの太陽活動予測は外れ、アメリカ海洋大気庁（NOAA）などの政府機関からの警告を無視した。前回のアポロによるスカイラブ訪問の際、スカイラブの軌道サポートは十分ではありませんでした。ますます頻繁に発生する太陽嵐の影響で、地磁気嵐が継続的に発生し、スカイラブの軌道上の上層大気の密度が増加し、その軌道は制御不能に衰退しました。当時、アメリカの有人宇宙船は過渡期にあり、スペースシャトルの研究開発と試験はまだ完了しておらず、アポロ宇宙船は退役していました。米国はスカイラブを救出するための宇宙船を打ち上げることができず、結局1979年にスカイラブは予定より早く消滅した。

スカイラブ

さらに、宇宙天気の影響により、中層大気と上層大気の密度を予測することがさらに困難になります。ランデブーやドッキングなど精密な軌道制御が求められる作業では、大気密度の実測値が予測値から大きく外れると、航空機の実際の飛行軌道が予測軌道から大きく外れ、ドッキングが完了するまでに軌道修正を繰り返すのに時間がかかることがあります。

衛星測位と無線通信における干渉源

地上60～1000キロメートルの領域には、荷電粒子で構成された電離層が存在します。無線信号が電離層を通過できるかどうか、また電離層を通過する際に信号パラメータが変化するかどうかは、すべて電離層の特性に関係しています。たとえば、短波信号は、この周波数帯の無線信号の電離層の反射を利用して大陸を越えて伝わります。しかし、地上が衛星と通信する場合には、電離層を透過できる高周波信号を使用する必要があります。電離層の特性は主に太陽活動の影響を受けます。太陽フレアが発生すると、フレアの発生と同時に電離層の性質も即座に変化します。コロナ質量放出が地球に衝突すると、それが引き起こす磁気嵐によって電離層の特性も変化します。

地上設備が北斗やGPSなどの衛星測位システムから送信される測位信号を受信して​​位置情報を計算する際には、すでに電離層の一般的な特性が考慮されています。宇宙天気の影響で電離層の性質が変化すると、測位信号の実際の変化が機器に設定された条件と異なるようになり、測位装置の測位精度が低下します。日常生活における携帯電話の測位では、測位精度の要求は高くなく、携帯電話基地局の位置を利用して精度の低い測位を行うことができるため、宇宙天気の影響は明らかに感じられません。しかし、方向性掘削や、GPS を使用した新世代の航空ナビゲーションおよび計器着陸システムなどの高精度の現場作業では、電離層の変化によって引き起こされる測位精度の低下は、通常の作業に支障をきたすほどです。

2001年、中米航空機衝突事件の捜索中、我が軍の無線通信が突然2時間にわたって中断され、捜索救助活動に一定の影響を及ぼした。専門家による分析の結果、この問題の原因は太陽嵐による電離層の変化であることが判明しました。長距離無線通信はもはや一般の人々の日常生活では利用できませんが、電離層の影響を受けるこの通信方法は、軍事やその他の専門分野では依然としてかけがえのないものです。長距離無線通信を使用する部門にとって、宇宙天気の状況は考慮しなければならない情報です。

太陽嵐は地球の磁場によって形成された磁気圏を吹き飛ばす

高電圧送電網の破壊の背後にいる男

ベトナム戦争中、米軍はベトナムの港を封鎖するために大量の機雷を敷設した。 1967年のある日、ベトナムの防城港近海に配備されたアメリカ軍の機雷40個が、船舶が通っていないにもかかわらず突然爆発した。爆発による連鎖反応で、最終的に4,000個以上の地雷が爆発した。

これらの地雷の爆発はベトナム工作員の「傑作」ではなく、コロナ質量放出による地球の磁場の変化によって引き起こされた。コロナ質量放出によって運ばれる太陽磁場は、方向が正しければ地球磁場の磁力線を「切断」し、地球磁場系にプラズマを注入し、地球磁場の磁力線を太陽に面した側から太陽から離れた側へ引っ張ることができます。この過程で、地球全体の磁場は劇的な変化を経験するでしょう。宇宙気象学者はこの現象を「磁気嵐」と呼んでいます。米軍の機雷は、船舶の通過によって生じる磁場の変化を利用して敵艦を探知する。磁場の変化速度が一定の閾値を超えると、それらは自ら爆発します。しかし、磁気嵐が発生すると、機雷は磁気嵐による磁場の変化を通過中の船舶による磁場の変化と誤認し、爆発してしまいます。

様々な波長を用いたコロナ質量放出の複合観測

現代社会にとって、地磁気嵐がもたらすより大きな脅威は、電力網に与える被害です。磁気嵐によって引き起こされる磁場の急激な変化は、長距離の高電圧送電線に強力な地磁気誘導電流を発生させ、電力供給の不安定化や電力網の完全な崩壊を引き起こす可能性があります。 1989年3月の磁気嵐によりカナダのケベック州の電力網が麻痺し、何百万人もの人々が電気のない寒い夜を過ごしました。より強力な太陽嵐が襲って電力網の大型コア変圧器が焼損した場合、電力網は長期間麻痺することになる。これは、これらの大型コア変圧器のほとんどが特別にカスタマイズされた製品であり、交換用にすぐに使用できる既製のバックアップがないためです。一度損傷すると、短期間で交換部品が見つからなくなります。電気は現代社会の運営にとって基本的な条件です。電力供給が失われると、社会全体の活動が停止してしまいます。リスク評価研究の結論によれば、超強力な太陽嵐によって引き起こされる大規模な停電は、北米で数兆ドルの莫大な損失をもたらすだろう。

ケベック州の停電中に変圧器が焼損した

米国の国家宇宙天気戦略・行動計画において、国家科学技術会議は「宇宙天気対応国家」という概念を提唱し、宇宙天気に対応するための国家レベルの行動の3つの主要な方向性を指摘した。第一に、宇宙天気の影響を受けやすい国家安全保障、国土安全保障（米国国内の安全保障）、商業施設や業務の保護能力を強化する必要がある。第二に、タイムリーかつ正確な宇宙天気の監視および予報能力を開発し、社会全体が宇宙天気事象に対応するための重要な情報と指針を提供すること。第三に、宇宙天気事象後の災害復旧計画を策定し、不可抗力的な宇宙天気災害に見舞われた後、関係部門が事前に検討・検証された計画と行動手順に従って、災害による被害に秩序正しく対応できるようにする。