太陽フレアに伴う電離圏突然擾乱現象（SID）

太陽研連シンポジウム
2014.2.18
太陽フレアに伴う電離圏突然擾乱 (SID)
- チュートリアル小川忠彦 (NICT)
Cycle 24 Sunspot Number Prediction (2013.7)
Average Daily Sunspot Area
(% of Visible Hemisphere)
24
23
24
20
21
22
Year
2013
23
2013
 太陽フレアにより X 線や極紫外線（EUV）の放射強度が急増すると、
地球電離圏の D - F 層中の高度 60 - ~400 km の電子密度分布が急増
し、特に VLF - HF （3 kHz - 30 MHz）帯の電波伝搬に各種の擾乱
（電離圏突然擾乱：Sudden Ionospheric Disturbances : SID）が発生する。
HF 帯で発生するデリンジャー現象はその発見（1937年）以降、今でも
最も良く知られている現象であろう。また、電離圏全電子数（Total Electron Content :TEC）の突然増加は、急発展している GPS (GNSS) の
実利用に少なからず影響を及ぼしているはずである。
 20 - 30 年前までは VLF - HF 帯電波は重要な通信・利用周波数帯
であったため、実利用的観点からも SID 現象は盛んに観測・研究されて
いたが、今ではそうではないと言える。
 ここでは、忘れ去られようとしている（?）各種の SID 現象について、
発生の仕組みと過去の観測例を概観する。
太陽フレア時に急増する X 線（1 - 90 Å）と EUV 線（90 - 1030 Å）が
電離圏に引き起こす各種の電離圏突然擾乱（SID）現象
SWF (Short Wave Fadeout) ：短波の突然消失（デリンジャー現象、1937 年）
SFD （Sudden Frequency Deviation) ：短波周波数の突然変動
SITEC (Sudden Increase in Total Electron Content) ：電離圏全電子数の突然増加
SCNA (Sudden Cosmic Noise Absorption) ：宇宙電波雑音の突然吸収
SPA (Sudden Phase Anomaly) ： VLF-LF 波位相の突然異常
SEA (Sudden Enhancement of Atmospherics) or SES ： VLF-LF 波強度の突然増加
SFA (Sudden Field Anomaly) : LF波強度の突然変動（VLFに比べて複雑な時間変動）
SFE (Solar Flare Effect) ：地球磁場強度の ”かぎ針” 型変化
（Geomagnetic Crochet ともいう）
…..
フレアによる EUV
と X 線の急増
電子密度急増
Altitude
F
150
宇宙電波
GPS
SITEC
E
HF
SWF
90
D
60 km
SFE
SPA/SEA/SFA
ELF,VLF,LF,MF
SFD
SCNA
フレアに伴う受信強度の周波数依存性
D層（高度~ 60-90 km）
電子密度の急増加による
反射高度の低下
D層電子密度の
急増加による
電波吸収の増加
受信強度
増加
50~75 kHz
減少
ELF
LF
VLF
HF
MF
1 kHz
10 kHz
100 kHz
1 MHz
10 MHz
(300 km)
(30 km)
(3 km)
(300 m)
(30 m)
周波数（波長）
(Mitra, Ionospheric Effects of Solar Flares, 1974)
“ http://www.spaceweather.com/solarflares/topflares.html “ 他
1975年以降の大きなＸ線（≧X9.0）フレア
Average Daily Sunspot Area (% of Visible Hemisphere)
≧X9.0
24
Year
1982.6-7
(3B/X9.8, 3B/X7.1, …)
2013.5
(X1.2 ~ 3.2)
No Ranking
1
22
33
44
55
66
77
88
99
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
1
2
2
3
4
5
5
6
7
7
8
9
9
9
9
9
9
10
10
11
11
11
12
12
13
13
14
15
15
15
Y/M/D
Flare Class
2003/11/04
1989/08/16
2001/04/02
2003/10/28
2005/09/07
1978/07/11
1989/03/06
2001/04/15
1984/04/24
1989/10/19
1982/12/15
1982/06/06
1991/06/01
1991/06/04
1991/06/06
1991/06/11
1991/06/15
1982/12/17
1984/05/20
1991/01/25
1991/06/09
2003/10/29
1982/07/09
1989/09/29
1991/03/22
1997/11/06
1990/05/24
1980/11/06
1992/11/02
2006/12/05
X28.0 / 3B
X20.0 / 2N
X20.0 / ?
X17.2 / 4B
X17.0 / 3B
X15.0 / 1B
X15.0 / 3B
X14.4 / 2B
X13.0 / 3B
X13.0 / 4B
X12.9 / 2B
X12.0 / 3B
X12.0 / 1F
X12.0 / 3B
X12.0 / 4B
X12.0 / 3B
X12.0 / 3B
X10.1 / 3B
X10.1 / 3B
X10.0 / SF
X10.0 / 3B
X10.0 / 2B
X 9.8 / 3B
X 9.8 / ?
X 9.4 / 3B
X 9.4 / 2B
X 9.3 / 1B
X 9.0 / 2B
X 9.0 / ?
X 9.0 / ?
Impulsive 型フレアに伴う各放射線の時間変化（Donnelly, JGR, 1976)
Impulsive Component
Normalized Solar Flux Components
Source region : 104 - 106 oK
~ 5 min
Related Slow Component
Source region :
(1 - 30) x 106 oK
- 硬X線（< 1Å） D 層電離
- EUV（90 -1027Å）
・E, F 層電離
・強度は最大で静穏時の数十 % 増
- マイクロ波電波
- 継続時間 ~5 分
- コロナからの軟X線（1 - 90Å）
・D, E 層電離
・強度は最大で静穏時の約1,000倍
- EUV E, F 層電離
1 keV ~ 12.4 Å
1Å = 0.1 nm
ほぼ同時に開始
- 主に軟X線（1 - 8Å）、EUV も
Very Slow Component
Source region : (1 - 30) x
Time (min)
106 oK
Slow 型フレアでは Impulsive 成分
は無く、５分以上の時間をかけて各
種放射線を徐々に放射。各放射成
分間に明確な対応関係は無い。
2013年5月14日の X3.2 フレアに伴う Hard / Soft X ray, EUV (Fe XI, Fe XVIII,
He II Lyman Alpha), EUV-A, EUV-B, Hiraiso 2.8 GHz) 強度の時間変化
・Impulsive 2.8 GHz Burst (Hiraiso)
・Impulsive Fe XI
Very Slow Component EUV
300
Altitude (km)
モデルフレアの Impulsive
EUV 成分による電子の
生成率
（Donnelly, 1976)
200
(主に 90 - 911Å)
Impulsive 成分による生成率
の高度プロファイルは、主に
EUV 90 ~ 911Åによる E - F
層電離が卓越
この様なプロフィルは非フレア
100
時のそれと類似し、F 層では
非フレア時と同程度の生成率
107
になる
非フレア時の生成率
(Heroux et al., 1974)
108
109
Electron Production Rate (m-3 s-1)
300
Altitude (km)
モデルフレアの Slow Xray / EUV 成分による電子
の生成率
（Donnelly, 1976)
X
Y
Z
200
Impulsive 成分に比べて、
Slow 軟X線による D - E 層
の電離率は非フレア時に
比べて非常に大きい
非フレア時の生成率
(Heroux et al., 1974)
F 層の電離率は非フレア時
100
のそれよりも低い
107
1-8Å
108
109
Electron Production Rate (m-3 s-1)
8 - 90 Å
1968/7/11-12
SCNA
(0.5 - 8Å)
10 MHz
SPA
9.34 kHz phase
over 4,000 km
path
1961/6/11
SID の例
(Davies, “Ionospheric
Radio”, 1990)
(Alaska)
ATS-6 141 MHz (Boulder)
1974/7/4
TEC
SITEC
(~ 5 % of NT)
1936/11/26
(Dellinger, J. H., Terr. Mag.
and Atmos. Elec., 1937)
2+ フレアによる Ne 分布
(Ottawa)
9.57 MHz
SWF
SID の例
1961/9/27
1 Hz
SFD
WWV 10 MHz
D
(Boulder)
H
SFE
Z
Terrestrial Magnetic Record
(Cheltenham, Md.)
“Geomagnetic Crochet”
JJY 60 kHz （LF 帯）
伝搬に現れたフレア
効果（SFA, SPA）
福島県大鷹鳥谷
（おおたかどや）山
40 kHz
~200 km
空間波
地表波
・通常、60 kHz 回
線では地表波と電
離層 1 回反射波
（空間波）は同程
度の強度
・ 40 kHz は地表波
のみ
・フレア時には 60
kHz の空間波のみ
が影響を受け、40
kHz は無変化
佐賀県羽金
（はがね）山
60 kHz
受信点 NICT
非フレア時には時間変化
はほとんど無し
13 May 2013
弱い SWF
・軟 X 線の弱い増
加に伴う弱いSWF
と 60 KHz 受信強
度の減少（SFA）及
び位相進み（SPA）
・軟 X 線は増加
しているが、 60
kHz 強度は急回
復し、位相のサイ
クルスリップが発
生（前半の弱いフ
レアではこのよう
な現象は無い）
急峻なD層
吸収の発生後に
反射高度が急低
下したため、強度
増加とサイクルス
リップが発生？
・この時刻頃に
正常状態に回復
・ SWF も徐々に
回復
X1.7
S
M
E
0153 0217 0232
SFA
SPA
SITEC （電離圏全電子数の突然増加）現象の例
“太陽フレアによる全電子数突然増加”
小川、大部（電波研季報、1985; J. Radio Res. Lab., 1986 他）
太陽活動が非常に活発であった 1982 年 6 - 8月に、（当時の）電波研・平磯センター
において多数（59 回）の SITEC 現象を観測
 解析に用いた観測データ：
・静止衛星 ETS-II 136-MHz のファラデー回転（電離圏のTEC）：平磯
・ 9.5 GHz 太陽電波バースト：平磯
Average Daily Sunspot Area
・外国からの短波回線：平磯
(% of Visible Hemisphere)
・地磁気水平成分：平磯
・「ひのとり」衛星フレアX線モニター
データ： ISAS
 SITEC 現象の抽出
・太陽天頂角 < 90o
・米国静止衛星で観測された軟X線
（1 - 8Å）強度 ≥ M2
21
・フレア時に 9.5 GHz 電波バースト有り
Year
・ SITEC 波形が電離圏固有の波動
1982.6-7 (3B/X9.8, 3B/X7.1, …)
（TID 等）で乱されていないこと
例１
Impulsive 型 3B / X1.2
フレア (1982.6.14)
・ SITEC は impulsive
成分の開始とともに増
加し、この成分が止ん
だ頃に最大になり、そ
の後は軟X線などの
slow 成分による電離と
電離圏の化学反応に
応じて変化
1 keV ~ 12.4 Å
10 keV ~ 1.24 Å
軟X線（1~12Å）
・ SITEC が最大に
なる頃 SWF も最大
硬X線（<1Å）
・フレア開始後に、impulsive 成分である硬X線と
9.5 GHz バーストが5分程
度継続
SITEC
例2
Impulsive 型 1B / X2.6
(1982.6.21)
例3
最大級 Impulsive 型 3B / X9.8
フレアランキング12位 (1982.7.9)
例4
Slow 型 1B / X3.6 フレア
(1982.6.12)
Slow 型フレアでは Impulsive
成分は無く、５分以上の時間
をかけて各種放射線を徐々に
放射。各放射成分間に明確な
対応関係は無い。
・フレア開始後に 9.5 GHz
バースト強度は上昇
・ SITEC は10 分遅れで開始
（impulsive 型フレアではこの
ような遅れは無し）
・ SITEC, SWF, SFE の時間
変化は類似しており、impulsive 型フレアの場合と同じ
1979年3月 - 1983年８月に
観測された 188 のImpulsive
型フレアに伴うSITEC の最大
増加分（ΔNTS）と 9.5 GHz
フラックスとの関係
80
・ 9.5 GHz フラックスが 1,000
SFU を超えると SITEC が
確実に発生。両者間に相関
あり
・下図で ΔNTS が低くなって
いる理由は、EUV が太陽・
地球大気で吸収されるため
80
1982/12/15
X12.9 / 2B ?
同じく、ΔNTS と
軟X線（1~8Å）
強度との関係
M2
X10
・軟X線強度が X1 を超
えると SITEC が確実
に発生。
・下図で ΔNTS が低く
なる理由は、軟X線や
EUV が太陽・地球
大気で吸収されるため
X1
M2
まとめ
 フレアの時間発展
・ Impulsive 型：
- フレア開始後 5 分以内に硬X線、EUV、9.5 GHz 波をほとんど同時に impulsive
に放射
- EUV（90~1030 Ǻ）による E - F 層異常電離が Impulsive 型 SITEC を誘発
- Impulsive 放射が止んだ後に軟X線（1~90 Ǻ ）を主とする slow 成分（slow EUV
も含む）が最大に。この放射により SWF, SITEC, SPA, SEA, SFE, SCNA など
の SID が発生
・ Slow 型：
- Impulsive 成分が弱いか、無し
- SITEC の立ち上がりは緩慢で５分以上（slow 型 SITEC）
- 9.5 GHz バーストと SITEC の開始時刻は必ずしも一致しない
- 強い slow 型 EUV により大きな SITEC が発生する場合がある
- その他の SID も発生
両型フレアとも、EUV 放射の増加が弱いとか、フレア位置が太陽縁近く、あるいは
太陽天頂角が大きい場合には、SITEC などの SID が発生しない場合がある
 フレア規模と SITEC の関係
- Impulsive 型フレアでは軟X線強度と SITEC の大きさ（ΔNTS ）には良好な関係。
9.5 GHz バーストと ΔNTS にも関係があり
- 1982年 6~8 月では、 ΔNTS の最大値は背景 TEC の10 % 前後と推定される

Download Report