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[1]。

太陽フレア。見やすくするために、太陽の球状の箇所は黒く加工し、周縁部分だけが写されている。
太陽フレアの動画。2011年7月7日。SDOによる撮影。

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[2]。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[3]。

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が地球をかすめた[4][5] 。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[4]。

概要編集

フレアの大きさは通常1～10万km程度であり、威力は水素爆弾10万～1億個と同等である[6]。100万度のコロナプラズマは数千万度にまで加熱され、多量の非熱的粒子（10keV-1MeVの電子や10MeV-1GeVの陽子）が加速される。同時に衝撃波やプラズマ噴出が発生し、時おりそれらは地球に接近して、突然の磁気嵐を起こす[7]。

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、磁気再結合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。この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 (人工衛星)による観測データの精密解析で明らかとなった[8]。また、全てのフレアを説明するモデルとして、柴田一成の「フレアの統一モデル」[9][10]がある。

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[11]。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（コロナル・マス・エジェクション（CME））ことが多い。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。2003年は、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。

フレアによる放出物とその影響・範囲[12][13]
放出物 影響範囲 地球への到達時間 主な影響
電磁波（電波バースト） 地球電離層 光速度（8分程度=観測と同時） X線などの作用で電離層D層の密度が増大、短波（HF）通信の障害（デリンジャー現象）を引き起こす[14]。
高エネルギー粒子（太陽プロトン現象） 宇宙空間（地球磁気圏外）、極域・高緯度の地球電離層 30分程度 - 数日[注 1] 地球磁気圏に捉えられた陽子・電子の作用で放射線帯の放射線量が上昇、宇宙活動を行う人間や高高度を飛ぶ航空機への影響、人工衛星の障害を引き起こす。また、極域・高緯度地域では陽子・電子が大気に突入してD層の密度が増大、短波通信の障害を引き起こす[15]。
プラズマ（コロナ質量放出） 地球磁気圏内 2日後 - 1日後位[注 2] 南向き磁場をもつプラズマが磁気圏との相互作用で流入、オーロラや地表の磁気嵐を引き起こす。また電離層の密度減少（電離圏嵐）による通信障害も引き起こす[16]。

等級編集

X線等級編集

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[17][18]。

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[18]。

X線による太陽フレア等級[18]
等級 100 - 800pmでの流束 [W/m2] 最大値
A 10-8 - 10-7
B 10-7 - 10-6
C 10-6 - 10-5
M 10-5 - 10-4
X > 10-4

Hα等級編集

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[19]。

Hαによる太陽フレア等級[19]
等級 観測半球全体を100万とした時の割合
S(sub) < 100
1 100 - 250
2 250 - 600
3 600 - 1200
4 > 1200

フレアの予測と予報編集

名古屋大学による予測モデル編集

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[20]。

NOAA宇宙天気スケール編集

アメリカ海洋大気庁（NOAA）の宇宙天気予報センター（英語版） (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」[注 3]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[21]。

Rスケール[21]
レベル イベントの呼称 X線等級の目安 頻度の目安
（太陽活動周期=約11年 毎）
  R5
 Extreme X20 (2x10-3) 1回（1日間）位
  R4
 Severe X10 (1x10-3) 8回（8日間）位
  R3
 Strong X1 (1x10-4) 175回（140日間）位
  R2
 Moderate M5 (5x10-5) 350回（300日間）位
  R1
 Minor M1 (1x10-5) 2000回（950日間）位
  R(None)
 none

NICT宇宙天気予報編集

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[22]。フレア予報の解説は以下の通り。

NICT宇宙天気予報 フレア予報[22]
レベル 説明
非常に活発 (Major Flares) Xクラスのフレアの発生確率が50%以上と予想される。
活発 (Active) Mクラスのフレアの発生確率が50%以上と予想される。
やや活発 (Eruptive) Cクラスのフレアの発生確率が50%以上と予想される。
静穏 (Quiet) Cクラスのフレアの発生確率が50%未満と予想される。

被害編集

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。

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）などがある。

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[23]、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[24]。

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[25][26]。

2008年に全米科学アカデミーによる『激しい宇宙気象――その社会的・経済的影響の把握』報告書[27]が出されている。それによると、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（規模によっては溶融）し、電力網が停止する可能性について検討されている。通信ケーブル、放送、携帯電話は脆弱である。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。もし1859年規模のフレアが起これば、社会に大混乱が生じ文明は19世紀初頭に戻ると予想された[注 4][28]。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[29]。

過去の主な太陽フレア編集

近年の強い太陽フレアの一覧編集

X6以上の強い太陽フレア (GOES観測)
（1975年以降、NICT SWCのWebページによる）[30]
順位 X線等級 Hα線等級 年月日 太陽活動周期
1 X28.0 3B 2003年11月4日 23
2 X20.0 2N 1989年8月16日 22
2 X20.0 - 2001年4月2日 23
4 X17.2 4B 2003年10月28日 23
5 X17.0 3B 2005年09月7日 23
6 X15.0 1B 1978年7月11日 21
6 X15.0 3B 1989年3月6日 22
8 X14.4 2B 2001年4月15日 23
9 X13.0 3B 1984年4月24日 21
9 X13.0 4B 1989年10月19日 22
11 X12.9 2B 1982年12月15日 21
12 X12.0 3B 1982年6月6日 21
12 X12.0 1F 1991年6月1日 22
12 X12.0 3B 1991年6月4日 22
12 X12.0 4B 1991年6月6日 22
12 X12.0 3B 1991年6月11日 22
12 X12.0 3B 1991年6月15日 22
18 X10.1 3B 1982年12月17日 21
18 X10.1 3B 1984年5月20日 21
20 X10.0 SF 1991年1月25日 22
20 X10.0 3B 1991年6月9日 22
20 X10.0 2B 2003年10月29日 23
23 X9.8 3B 1982年7月9日 21
23 X9.8 - 1989年9月29日 22
25 X9.4 3B 1991年3月22日 22
25 X9.4 2B 1997年11月6日 23
27 X9.3 1B 1990年5月24日 22
28 X9.0 2B 1980年11月6日 21
28 X9.0 - 1992年11月2日 22
28 X9.0 - 2006年12月5日 23
31 X8.3 2B 2003年11月2日 23
32 X8.0 2B 1982年6月3日 21
33 X7.1 2B 1982年7月12日 21
33 X7.1 - 1991年3月4日 22
33 X7.1 2B 2005年12月6日 23
36 X6.9 2B 2011年8月9日 24
37 X6.5 3B 1989年3月17日 22
37 X6.5 3B 2006年12月6日 23
39 X6.1 3B 1991年10月27日 22
40 X6.0 1B 1979年8月18日 21

上記の推移グラフ、太陽活動周期ごと

脚注編集

注釈編集

  1. ^ エネルギー準位の高い粒子は最速100,000km/s程度と速く到達し、低い粒子は遅く到達するため、幅がある。
  2. ^ 噴出直後は平均で300km/s、最速3,000km/sになるが、低速太陽風との衝突によりやや緩和される。地球への到達は平均で2日後、早い場合は1日後 - 14時間後位とされる。また、空間的に広がりがあり、遅いものでは先端が到達してから24 - 36時間位継続する。
  3. ^ NOAA Space Weather Scales。Rスケールのほかに、太陽放射の嵐（太陽プロトン現象, Solar radiation storms）の強度を表すSスケール、磁気嵐の強度を表すのはGスケールがある
  4. ^ 原子力発電所や核兵器の制御不能が起こす原子力事故、細菌・ウイルス研究所の病原体閉じ込めシステムの崩壊による感染症の流行、混乱が引き起こす戦争、気象衛星と通信システムの崩壊による気象災害の増加などは想定外である。

出典編集

  1. ^ 粟野諭美・福江純(共編)『最新 宇宙学－研究者たちの夢と戦い』（裳華房ポピュラーサイエンス261）p.4
  2. ^ “(科学の扉)「想定外」を考える／スーパーフレアの襲来 電子機器を破壊、世界的大停電も”. 『朝日新聞』朝刊. (2017年7月2日). http://www.asahi.com/articles/DA3S13014970.html 
  3. ^ 「プロキシマ・ケンタウリの巨大フレアをアルマ望遠鏡が観測」（2018年2月26日）
  4. ^ a b Phillips, Dr. Tony (2014年7月23日). “Near Miss: The Solar Superstorm of July 2012”. NASA. http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2014/23jul_superstorm/ 2014年7月26日閲覧。 
  5. ^ Staff (2014年4月28日). “Video (04:03) - Carrington-class coronal mass ejection narrowly misses Earth”. NASA. 2014年7月26日閲覧。
  6. ^ 科学技術政策研究所シンポジウム 近未来への招待状 第二部 柴田一成「太陽活動と宇宙天気予報」講演資料。
  7. ^ 小特集 高強度レーザーを用いた実験室宇宙物理 7.MHDプラズマ
  8. ^ [] (PDF)
  9. ^ 柴田一成、研究トッピクス (5)太陽フレアと恒星フレアの統一モデル『京都大学大学院理学研究科附属天文台年次報告』1999年（平成11年） p.13
  10. ^ 太陽面爆発 (フレア) の謎に挑む 日本天文学会 (PDF)
  11. ^ 太陽フレアに伴う衝撃波『京都大学大学院理学研究科附属天文台年次報告』2002年（平成14年）p.27
  12. ^ 「研究分野紹介 II-01 太陽フレア」地球電磁気地球惑星圏学会、2017年9月11日閲覧
  13. ^ 「太陽・地磁気活動及び電波擾乱現象の解説」情報通信研究機構 太陽地球環境情報サービス、2017年9月11日閲覧
  14. ^ "Solar flares radio blackouts"、Space Weather Prediction Center of National Oceanic and Atmospheric Administration（アメリカ海洋大気庁 宇宙天気予報センター）、2017年9月11日閲覧
  15. ^ "Solar radiation storm"、Space Weather Prediction Center of National Oceanic and Atmospheric Administration（アメリカ海洋大気庁 宇宙天気予報センター）、2017年9月11日閲覧
  16. ^ "Coronal mass ejections"、Space Weather Prediction Center of National Oceanic and Atmospheric Administration（アメリカ海洋大気庁 宇宙天気予報センター）、2017年9月11日閲覧
  17. ^ 国立天文台、宇宙航空研究開発機構「ひので: 今サイクル初の巨大フレアを観測」2011年3月11日付、2013年5月16日閲覧
  18. ^ a b c Tamrazyan, Gurgen P. (1968). “Principal Regularities in the Distribution of Major Earthquakes Relative to Solar and Lunar Tides and Other Cosmic Forces”. ICARUS (Elsevier) 9: 574–592. Bibcode: 1968Icar....9..574T. doi:10.1016/0019-1035(68)90050-X. 
  19. ^ a b Tandberg-Hanssen, Einar; Emslie, A. Gordon (1988年). “The physics of solar flares” 
  20. ^ 草野教授らが電磁流体力学理論に基づく大型太陽フレアの予測に関する論文をScience誌に出版しました。名古屋大学 宇宙地球環境研究所総合解析研究部（2020年8月10日閲覧）
  21. ^ a b 「NOAA Space Weather Scales」、Space Weather Prediction Center of National Oceanic and Atmospheric Administration（アメリカ海洋大気庁 宇宙天気予報センター）、2017年9月11日閲覧
  22. ^ a b 「宇宙天気予報」情報通信研究機構 宇宙天気情報センター、2017年9月11日閲覧
  23. ^ “SOHO Hotshots”. Sohowww.nascom.nasa.gov. 2012年5月21日閲覧。
  24. ^ “Biggest ever solar flare was even bigger than thought | SpaceRef – Your Space Reference”. SpaceRef (2004年3月15日). 2012年5月21日閲覧。
  25. ^ “(科学の扉)「想定外」を考える／スーパーフレアの襲来 電子機器を破壊、世界的大停電も”. 『朝日新聞』朝刊. (2017年7月2日). http://www.asahi.com/articles/DA3S13014970.html 
  26. ^ 柴田一成『太陽 大異変 スーパーフレアが地球を襲う日』（朝日新書）
  27. ^ Severe Space Weather Events--Understanding Societal and Economic Impacts:A Workshop Report
  28. ^ 強力な太陽嵐で2012年に大停電？-対抗策は2/ 強力な太陽嵐で2012年に大停電？ 対抗策は：WIRED.jp
  29. ^ ナショナルジオグラフィックチャンネル> 地球を襲う宇宙の嵐 危険な太陽風
  30. ^ 「過去の大きなフレア（1975年以降）」、情報通信研究機構 宇宙天気情報センター、2017年9月11日閲覧

関連項目編集

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外部リンク編集

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