宇宙では天候も変化しますが、宇宙飛行士は「天気予報」を確認する必要があるのでしょうか？

地球の大気中には、晴れや曇り、寒さや暖かさ、風や雨、雪、雷や稲妻など、私たちに関係の深い気象現象があります。しかし、広大な宇宙には天気もあるのでしょうか?答えはイエスです。科学者はそれを宇宙天気と呼んでいますが、宇宙天気は地球の天気と同じでしょうか?宇宙天気を監視するにはどうすればいいですか?宇宙天気は予測できるのでしょうか？

|宇宙天気とは何ですか?

宇宙の天気は地球の大気の天気とは全く異なります。宇宙天気は、太陽コロナ、惑星間空間、磁気圏、電離層、中成層圏より上の中層大気および上層大気など、地球表面から30キロメートル以上離れた太陽と地球の間の宇宙領域で発生します。

この宇宙領域では、中層・上層成層圏にごく少量の水蒸気が存在する以外、他の空間にはほとんど水蒸気が存在しないため、地球の大気圏である対流圏で見られるような気象現象は発生しません。この空間では、粒子、エネルギー、電磁放射が紛れもなく「主役」であり、太陽フレアによって放出された物質とエネルギーの到来により短期スケールの変化を起こし、地球の磁気圏、電離圏、中層および上層大気を含む地球の宇宙環境に強い擾乱を引き起こし、陽子現象や電離圏嵐、地磁気嵐、その他の影響事象を引き起こします。これは宇宙天気です。

太陽の噴火活動が宇宙天気の主な原因です。太陽の爆発、太陽フレア、コロナ質量放出の際には、短命で極めてエネルギーの高い光波と粒子が、増強電磁放射、高エネルギー荷電粒子流、プラズマ雲の 3 つの形式で放出され、最終的に地球に作用します。したがって、宇宙天気における「風」は太陽風であり、「雨」は太陽からの荷電粒子です。

地球上の天気と同様に、宇宙の天気も予測できないことがあります。太陽活動が低い年には宇宙は比較的穏やかですが、太陽活動が高い年には太陽の爆発が多くなり、宇宙天気は頻繁かつ複雑になります。例えば、2024年2月23日、わが国の国家宇宙天気監視早期警報センターは、記録破りの太陽噴火を発表しました。「2024年2月23日北京時間6時34分、太陽表面の北緯17度、東経26度の活動領域13590でX6.3レベルのフレアが噴火しました。その強度は、現在の太陽活動第25週で最大です。同時に、2017年9月10日以来のフレア噴火記録も破りました。」

|なぜ宇宙天気を気にするのでしょうか?

太陽の爆発は通常、太陽と地球の間の空間、さらには地球の表面の空間に 3 ラウンドの影響を引き起こします。第 1 ラウンド: 太陽の爆発のフレア、つまり強化された電磁放射が膨大な放射エネルギーをもたらし、電磁波の形で伝播します。光の速度なので、地球から1億5100万キロ離れた太陽が地球に到達するのにかかる時間はわずか8分半ほどです。電離層の安定性が崩れ、構造が変化する。第二ラウンドは、太陽物質、つまり高エネルギー荷電粒子の流れが急増し、地球に到達するまでに数十分から十数時間かかり、地球の周りの高エネルギー荷電粒子の数が数千倍、あるいは数万倍に増加することです。陽子が粒子総数の 90% 以上を占めるため、このイベントは太陽陽子イベントと呼ばれます。 3回目のコロナ質量放出、つまり太陽風も大量のエネルギーを運び、地球に衝突し、約3日後に地球に到達して、地磁気嵐や磁気圏サブストームを引き起こします。

太陽の爆発によるこれら 3 回の影響は、惑星間空間、地球の磁気圏、電離層、中層および上層大気に短期的な変化をもたらし、地球上の人間の活動や軌道上の宇宙船の安全な運航に影響を与える次のような宇宙天気を生み出します。

太陽フレアは電離層の擾乱を引き起こし、その結果、無線信号が電離層を通過して宇宙に漏れ出したり、衛星から地上に送り返された重要な情報が「飲み込まれ」たりする可能性がある。コロナ質量放出による地磁気嵐の影響も相まって、飛行機、船舶、自動車、さらにはスマートフォンでも衛星測位にエラーが発生し、ひどい場合には航行不能になることもあります。

無線通信システムが宇宙天気現象に遭遇すると、電離層の擾乱も通話品質に影響を及ぼします。軽度の場合は、騒音が大きすぎるため、双方が互いの音声を明瞭に聞き取れないことがあります。深刻な場合には、信号が途絶えたり、通信が中断されたりすることもあります。

ほとんどの場合、宇宙天気の影響を感じることはできませんが、超太陽活動による地磁気嵐や磁気圏サブストームは、低軌道衛星の軌道高度、電力網の安全運用、地質探査などに影響を及ぼし、日常生活に深刻な影響を及ぼす可能性があります。 1989 年 3 月の太陽超大爆発を例に挙げてみましょう。磁気嵐発生からわずか90秒で、カナダ・ケベック州の電力網は完全に麻痺し、600万世帯が暗闇に陥り、停電は9時間続いた。

太陽爆発の2回目の衝突で陽子現象が発生すると、高エネルギー荷電粒子の流れが加速され、秒速数千、数万、あるいは数十万キロメートルの速度で地球の宇宙空間に到達した後、磁気圏に衝突することになる。地球の磁場の数多くの防御を突破し、衛星軌道に入り、さらには電離層、大気圏、地表空間にまで侵入することができます。大量の高エネルギー粒子が地球の大気圏に侵入し、飛行機の乗客や客室乗務員の航空放射線量が急激に増加し、健康リスクをもたらします。

宇宙ステーションに長期間滞在する宇宙飛行士は、放射線環境にさらに注意を払う必要があります。太陽活動が活発な年には、低軌道の高高度で発生する不規則な太陽陽子現象によって、宇宙ステーションの放射線環境が悪化する可能性もあります。宇宙ステーションの「外壁」はこれらの高エネルギー粒子を遮断することができるが、1989年7月と2003年11月の陽子現象のような超太陽陽子現象の際には、国際宇宙ステーション内の放射線レベルが基準を大幅に超えたため、宇宙飛行士はそれを避けるために帰還カプセルに入ることを余儀なくされた。さらに、宇宙飛行士は「宇宙遊泳」のために船室から出るときには太陽の陽子現象を避ける必要がある。

低軌道衛星の急速な拡大により、宇宙ステーションの軌道は混雑してきました。特に、スターリンク衛星の打ち上げにより、数万基の衛星が宇宙ステーションの軌道を横切ることになり、大量の破片が残されることになり、宇宙ステーションにとって最大の脅威となり、宇宙飛行士が駐留する宇宙ステーションの環境がさらに危険なものとなる。そのため、宇宙活動に対する宇宙ゴミの影響も宇宙天気の一部として挙げられています。

著者 | Xun Jiwei 氏は、南京気象研究所（現在は南京情報科学技術大学、大気科学専攻）で気象力学を専攻して卒業した上級エンジニアです。著者は長年、気象予報や気象サービスに関する業務および管理業務に従事してきました。