【ニュースリリース】トンガ沖海底火山噴火がもたらした電離圏の穴 ～最先端の観測から見えた地圏と宇宙圏のつながり～
2023年05月22日
本研究のポイント
- 南太平洋トンガ沖の海底火山噴火後に、同心円状の気圧波の到来に関連した電離圏電子密度の不規則構造の観測に成功。
- 通常よりも１～２桁も電子密度が急減する多数の電離圏の穴が、日本上空で観測され、その構造が高度約2,000kmの宇宙空間まで伸びていることを確認。
- 電離圏の穴の形成に関わる電離圏高度の上昇が、気圧波の到来よりも約１～２時間前に開始していることを発見。
- 電波障害を起こす宇宙天気現象が、太陽フレアなどの太陽活動だけでなく、大規模噴火等の地表の現象にも起因することを明示する事例。
研究概要
津田卓雄准教授（情報・ネットワーク工学専攻）が参加する新堀淳樹特任助教（名古屋大学宇宙地球環境研究所）らの研究グループは、全球測位衛星システム（GNSS）、気象衛星ひまわり、ジオスペース探査衛星「あらせ」、電離圏観測機器などのデータを解析し、南太平洋トンガ沖海底火山の大規模噴火に伴う同心円状の気圧波が引き起こした電離圏電子密度の不規則構造の観測に成功しました。
観測データにおいて、通常よりも１～２桁程度、電子密度が急減する多数の電離圏の穴が日本上空で観測され、探査衛星「あらせ」の観測によってこの電離圏の穴は、2,000ｋｍの宇宙空間まで伸びていることが分かりました。また、電離圏の穴の形成は、電離圏の高度上昇が原因であったことと、その高度上昇は火山噴火による気圧波の到来よりも約１-２時間も前に起こっていたことが分かりました。本研究は、このような火山噴火に伴って発生した大気変動による電離圏の穴の生成機構を明らかにしました。また、電離圏の穴は電波障害の原因であり、宇宙天気の観点で予報が必要な項目です。電波障害を起こす宇宙天気現象は、太陽フレアなどの太陽活動に起因することが広く知られていますが、本研究結果は、宇宙天気現象が大規模噴火等の地表の現象にも起因することを明示する重要な事例です。
本研究成果は、2023年５月22日午後６時（日本時間）付ネイチャー・リサーチ社刊行の総合国際学術雑誌「Scientific Reports」に掲載されました。
研究内容
本研究グループは、全球の電離圏変動を高時間・高空間分解能で観測するために世界各地に設置されている9,000台を超えるGNSS受信機データを収集し、それらのデータから全電子数（TEC）に変換し、TECデータベースを作成しています。また、トンガ火山噴火によって発生した気圧波、プラズマバブルおよび電離圏の動きの情報を得るために、気象衛星ひまわり８号の赤外輝度温度、探査衛星「あらせ」の電子密度と太平洋域に設置された電離圏観測機器（イオノゾンデ）を使用しています。探査衛星「あらせ」観測データとデータ解析ソフトは宇宙科学連携拠点として名古屋大学に設置された太陽圏サイエンスセンターから提供されています。その他のデータについては、2009年度から開始された大学間連携プロジェクト「IUGONET」で開発された解析ツールを活用しています。
図１：トンガ火山噴火後に観測された気圧波と電離圏不規則構造。(a)世界時2022年１月15日11:40における赤外輝度温度と５分間のTECの分散値の2次元マップ図。縦軸と横軸はそれぞれ、地理緯度と経度を表す。図中の横方向の赤線は磁気赤道注9)を表す。(b) 探査衛星「あらせ」観測による電子密度変化の時系列プロットと赤外輝度温度の緯度－時間プロット。図下の数字は、時間と探査衛星「あらせ」の位置を示す。(c) ５分間のTECの分散値の2次元マップ図上に探査衛星「あらせ」観測による電子密度変化を重ねた図。
解析の結果、トンガ火山噴火に伴って発生した気圧波（図１a）のグレースケール表示)の到来のタイミングで、磁気赤道を挟んで５分間のTECの時間変化の分散値（図１a）のカラースケール表示)が増加している領域が現れていることが分かりました。その分散値の増加は、電離圏電子密度の不規則構造の形成を示しており、このことは、対流圏を伝搬する気圧波から生まれた大気変動が上方へと伝搬し、電離圏電子擾乱を引き起こしたことを意味しています。そのような中、探査衛星「あらせ」は、気圧波と正面衝突する形で夕方過ぎの近地点付近（高度400km）を通過し、その後、宇宙空間へと飛翔して行きました。同衛星で捉えた電子密度の時系列プロット（図１b）を見ますと、大気圏を伝搬する気圧波の到来の数分前に電子密度の急増が起こり、その後、電子密度が周囲と比べて１～２桁も電子密度が急減する多数のプラズマバブルが形成されています。探査衛星「あらせ」によって捉えられた電子密度擾乱の出現領域は、5分間のTECの時間変化の分散値の増加領域にも対応していることが分かります（図１c）。このプラズマバブルは、少なくとも高度2,000kmの宇宙空間まで伸びていたことを世界で初めて探査衛星「あらせ」による直接観測から明らかにしました。高さ2,000kmまで到達するプラズマバブルは、過去の研究を踏まえても極めて稀な現象です。
図２：グアム島上空におけるTEC変化（a-c）、電離圏高度変化（d）、および対流圏輝度温度変化（e）の時系列プロット。図（a-d）中の黒の点線と赤の実線はそれぞれ、2022年１月13日と15日のデータを示す。また、図（e）中の黒の点線は、グアム島内の観測点の地理緯度を表す。
イオノゾンデによる電離圏観測データと比較することにより、気圧波の到来に同期したプラズマバブルの発生メカニズムが明らかになってきました。図2はグアム島に設置されたイオノゾンデ観測によって、電離圏が250kmから400km近くまで上昇していることを示しており（図２d）、急激なTEC値の上昇と同期していることが分かりました。そのTEC値の上昇後にTEC値の減少を伴うプラズマバブルが起きており、この電離圏の上昇がプラズマバブルの発生に関わっていることが推察されます。さらに、対流圏輝度温度変化との比較から、グアム島に気圧波が到来する約2時間前から電離圏の上昇が始まっており、対流圏を伝搬する気圧波よりも早い大気変動を考える必要が出てきました。
図３：電離圏TEC変動と対流圏輝度温度変化の開始時間差の空間分布。この時間差は、０～120分間のカラースケールで示す。図中の同心円は、1,000 km毎のトンガ火山からの距離を表す。
そこで、図２に見られた急激な電離圏TECの上昇と対流圏輝度温度変化の開始時間の差の空間分布について調べてみることにしました。その結果、全体的に電離圏TECの上昇が開始する時間の方が対流圏輝度温度変化よりも約20分から約２時間、早く始まることと、その開始時間の差は、南半球よりも北半球側で大きいことが分かりました（図３）。この原因として以下の２つが考えられます。一つは、トンガ火山噴火によって発生した気圧波が高温の熱圏注10)に到達し、そこで加速された気圧波が、対流圏を伝わる気圧波を追い越す形で伝わり、電離圏の上下運動をもたらしたことです（図４）。もう一つは、南半球で発生した電離圏変動が高速で磁力線に沿って北半球に伝わったことです。詳細なメカニズムについては、今後の研究に託されています。
こうしたトンガ火山噴火によって発生した一連の大気変動が、赤道電離圏におけるプラズマバブルの生成を促すとともにそれが高高度へと発達したと考えられます（図４）。
図４：トンガ火山噴火後に観測されたプラズマバブルの発生メカニズム。左の縦軸は高度を表し、値と目盛は各領域の境界の大まかな高度を示す。
成果の意義
プラズマバブルの内部では、周囲と比べて１～２桁ほど局所的に電子密度が減少し、その内部は電子密度不規則構造で満たされているため、そこを通過する電波の散乱、屈折、透過を引き起こし、衛星測位や通信などに悪影響を及ぼします。そのため、プラズマバブルの発生を予測・予報することは宇宙天気研究の中で重要視されています。ただし、地震、火山噴火、台風などの下層大気の変動がプラズマバブルの発生にどのように関わっているかは十分に分かっていませんでした。今回の研究結果は、トンガ沖海底火山噴火に伴う気圧波に伴ってプラズマバブルがアジア域の低緯度電離圏に発生したこと、そのプラズマバブルは通常では考えられないほどの高高度まで達していたこと、プラズマバブルの発生要因となる電離圏の高度上昇は気圧波の到来よりも早く開始していたことを世界で初めて示しました。この結果は、火山噴火等を通じて対流圏で生じた大気変動が、数分から数十分かけて電離圏へ伝搬し、電離圏電子密度変動を引き起こすという、従来の地圏―大気圏―電離圏結合の考え方を見直すことを示唆しています。
本研究結果は、こうした科学面だけでなく、宇宙天気・防災面においても意義があります。トンガ火山噴火のような大規模イベントの場合、通常では起こりにくいとされている条件下（季節、場所）でも、プラズマバブルが形成されうることを観測から示しました。このような事例は、宇宙天気予報モデルには取り入れられておらず、今後、似たような事例を解析し、そこで得られた知見を取り入れていくことが期待されています。これにより、今後、地震や火山噴火等の自然災害に起因した電離圏擾乱が起こった場合に、衛星放送や通信の障害の軽減に貢献できると考えられます。
本研究は、2016年度から始まった日本学術振興会科学研究費補助金（特別推進研究）「地上多点ネットワーク観測による内部磁気圏の粒子・波動の変動メカニズムの研究」の支援のもとで行われたものです。
詳細はPDFでご確認ください。