科学者たちは大気中に予期せぬX字型とC字型の構造を発見した。彼らはその説明に苦慮している。

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毎日、主要な通信衛星や航法衛星からの無線信号は、電離層と呼ばれる地球の大気の層を自由に通過します。

私たちの頭上50～400マイル（80～643キロメートル）に浮かんでおり、一部の通信衛星が周回する宇宙の最下層の真下にあるこの上層大気圏には、多くの未解決の謎が眠っている。その中には、地球上の生命が円滑に活動し続けるために無線信号が行っているすべての活動を妨害する可能性のあるアルファベットの形をした謎も含まれている。

天文学者たちは、太陽嵐の後、電離層のプラズマ（荷電粒子の海）にX字型の波頭のような構造が現れる可能性があることを以前から知っていた。

地球上の火山活動や異常気象もこの現象を引き起こす可能性がある。2022年1月のフンガ・トンガ・フンガ・ハアパイ火山の噴火のような大規模な噴火では、地球の大気圏に粒子が舞い上がり、宇宙空間にまで到達する。雷雨やハリケーンでは圧力波が発生し、それが電離層に到達する可能性がある。

一方、活動期の夜間、太陽放射がそれほど強くないときには、電離層に低密度の泡が出現します。

衛星データでは、電離層で何が起こっているかの全体像を常に捉えられるわけではありませんが、NASA の GOLD ミッションでは、宇宙から西半球の大気層を鳥瞰し、さまざまな要因が電離層にどのような乱れを引き起こすかを明らかにしています。

新たな研究によると、現在、GOLDミッションによって収集されたデータを見ている天文学者たちは、X字型やこれまで見たことのないC字型の類似した特徴を発見した。驚くべきことに、これらは大気の擾乱がない「静かな時期」に現れたようだ。この発見は、異常な構造がどのように形成されるのか、そしてそれがどのような影響を与える可能性があるのかというこれまでの知識を覆すものだ。

メリーランド州グリーンベルトにあるNASAゴダード宇宙飛行センターで電離層を研究する研究者ジェフリー・クレンツィング氏は、このミッションのデータは、地球の大気がいかに複雑であるかを科学者が理解するのに役立ち、電離層のアルファベット形の乱れの背後に明らかな原因がない場合でも、予想以上に変化しやすいことを示していると述べた。

「これは常に起きていたのではないかと思う」と同氏は言う。「そして実際のところ、問題は、これが実際に起きているかどうかを知るのに十分なデータがなかったということだ」

文字の形をした現象をより深く理解することで、科学者は電離層と気象の力学を解明し、その相互作用が地球上の人々やシステムにどのような危険をもたらすかを解明できるかもしれない。

X字型の紋章

電離層は必ずしも完全に滑らかなガス層ではなく、常に変化しています。電離層は太陽光が当たると帯電します。太陽放射は原子や分子から電子を叩き出し、無線通信が長距離を移動できるようにするプラズマを生成します。

しかしNASAによると、夜に太陽が消えると電離層は薄れ、かつて帯電していた粒子は沈んで中性粒子になる。このとき電離層に泡が形成される可能性がある。

地球の磁力線は、大気中を自由に浮遊する荷電粒子を、赤道の北と南にある「山頂」と呼ばれる 2 つの密集した帯まで運びます。

電離層内のさまざまな形状の山や泡は、密度が異なるため、通信や GPS 信号に干渉を引き起こす可能性があります。

GOLD（地球規模の周縁部と円盤の観測）ミッションは、2018年1月の打ち上げ以来、電離層の監視を行っています。衛星は地球の自転と同じ速度で地球の周りを高速で周回しており、宇宙船が西半球上空で常にホバリング状態を保つことができます。

GOLDは、2019年、2020年、2021年にX字型とC字型の特徴の最も明確な兆候を、予想外の場所で発見した。この証拠により、研究者は、X字型とC字型が将来の通信信号に及ぼす潜在的な影響について疑問を抱いている。

「NASAのGOLDミッションは、アルファベットの形をはっきりと観測した初めてのミッションだ」と、4月に地球物理学研究ジャーナル：宇宙物理学に掲載されたX字形に関する研究論文の主執筆者、ファズルル・ラスカー氏は語った。

「これらの形状は、電離層が時として非常に動的で、予期せぬ構造を示すことがあることを示している」とコロラド大学大気宇宙物理学研究所の研究科学者ラスカー氏は付け加えた。「また、下層大気の天候が電離層に多大な影響を及ぼす可能性があることも示している」

ゴールドは、X 字型構造が「地磁気の静かな状態」で複数回形成されるのを観測した。これは、これまで観測されていた太陽嵐や地上の天候などの大気の乱れのときではなく、科学者に、この形状の形成には別のメカニズムが関与しているに違いないということを示しているとラスカー氏は述べた。研究によると、コンピューター モデルは、下層大気の変化がプラズマを下方に引っ張っている可能性を示唆している。

「X の出現は奇妙だ。なぜなら、はるかに局所的な駆動要因があることを示唆しているからだ」とクレンツィング氏は言う。同氏は 4 月の研究には関わっていない。「これは極端な現象の際には予想されていたことだが、これが「静穏時」に見られるということは、下層大気の活動が電離層構造を大きく駆動していることを示唆している」

これまでに見たことのないCバブル

これとは別に、GOLD は他の要因の影響を受ける可能性のある C 字型のプラズマ バブルも観測しました。

通常、プラズマバブルは地球の磁力線に沿って形成されるため、長くてまっすぐな形をしています。しかし、一部のバブルは C 字型や逆 C 字型の曲線に似ており、科学者は、地球の風によって形作られている可能性があると考えています。

研究モデルによれば、高度とともに風が強くなるとC字型が形成される可能性があるが、高度とともに風が弱まると逆C字型が形成される可能性がある。

「風の強い地域で育つ木に少し似ています」とクレンツィング氏は言う。「風が通常東向きであれば、木は傾き始め、その方向に成長し始めます。」

しかし、2023年11月に地球物理学研究ジャーナル「宇宙物理学」に掲載された研究によると、GOLDはC字型と逆C字型のプラズマバブルを、わずか約400マイル（644キロメートル）、つまりボルチモアとボストン間の距離ほどの異常な近さで観測した。

「これほど近い距離で、これら2つの反対形のプラズマバブルは、これまで考えられたことも、画像化されたこともなかった」とコロラド大学大気宇宙物理学研究所の研究科学者ディーパック・カラン氏は述べた。カラン氏はGOLDミッションに携わっており、C字型研究の主執筆者であり、X字型研究の共著者でもある。

カラン氏は、竜巻のような活動、風のせん断、あるいは渦が大気中に乱気流を作り出し、このような狭い範囲で風のパターンの変化を引き起こしている可能性があると述べた。しかし、このような正反対の構造の泡がこれほど接近して見られるとは予想もしていなかった。

「これほど近くに非常に異なる形の泡が存在するという事実は、大気の力学が予想以上に複雑であることを物語っている」とクレンツィング氏は語った。

これまでのところ、GOLD は 2 つの近接ペアリング例しか観測していませんが、C 字型のバブルは通信を妨害する可能性があります。

「なぜこのようなことが起きているのかを突き止めるのは本当に重要です」とカラン氏は言う。「プラズマ内で渦や非常に強いせん断が起きた場合、その地域のプラズマは完全に歪んでしまいます。このような強い乱れがあると、信号は完全に失われてしまいます。」

カラン氏は、数時間続くこともあるこれらの渦は地球の下層大気で発生する竜巻に似ているが、科学者が解明できない謎は「静穏時」に電離層で構造がどのように形成されるかということだと述べた。

「こうしたプラズマバブル形成の謎を解明することは、科学的な興味というだけでなく、通信やナビゲーションシステムへの悪影響を軽減する上でも実用上重要である」と彼は語った。

カラン氏は、現在のモデリングツールでは、泡がこれほど密集して形成される仕組みを解明する試みは成功していないと述べた。研究を発表し、考えられるすべての形成メカニズムを組み込むことで、科学界が協力して謎を解くことができるとカラン氏は期待している。

データの黄金の宝庫

GOLD ミッションは、その軌道のおかげで、電離層の予期せぬ特徴を捉えるのに適している。これまでの衛星ミッションでは、ある出来事の一次元的な部分しか捉えられなかったが、GOLD では、何時間にもわたってある出来事の画像を複数撮影できるとラスカー氏は言う。そして、将来的には、GOLD のデータからさらに驚くべき特徴が明らかになると期待している。

「非常に広い視野と継続的な測定により、GOLD は電離層内のこれらの謎を観測することを可能にした」と Karan 氏は語った。

同氏は、下層大気の変化や太陽活動が電離層の荷電粒子の動きにどのような影響を与えるかなど、この大気層については未解明の疑問が数多く残っていると述べた。

太陽が11年周期のピークである太陽活動極大期に近づくことで太陽嵐が増加する可能性があることを考えると、荷電粒子の急激な増加により衛星の抵抗が増大し、衛星の寿命が短くなる可能性があるため、天文学者は太陽嵐発生時に電離層の構成がどのように変化するかについても理解を深めたいと考えているとカラン氏は述べた。

電流は電離層にも流れており、太陽嵐の際に電流が増加すると、地球上の送電線や地上変圧器に損傷を与える可能性があると彼は述べた。

5月10日に地球を襲った磁気嵐の際、トラクターメーカーのジョンディアは、精密農業にGPSに依存している一部の顧客が混乱を経験したと報告した。

「農業業界に最も大きな影響を与えたのは、GPS 誘導システムです」と、ジョンディアのシニア製品マネージャー、ティム・マーキス氏は声明で述べた。「GPS 受信機は、軌道上の衛星からメトロノームのビートのように一定の間隔で信号を受信することで機能します。太陽嵐の際には、その信号が荷電粒子の「霧」に当たって失われることがあります。そして、この干渉により、機械は正確な位置を把握できません。」

ラスカー氏は、5月10日の磁気嵐中のGOLDデータの研究から得られる結果は、天文学者による宇宙天気予報システムの開発に役立つ可能性があると述べた。

「我々に必要なのは、GPS信号にいつ問題が起きるか、また、破滅的な衝突を避けるために衛星の軌道を調整する必要があるかもしれない時期を教えてくれる宇宙天気予報システムだ」と彼は語った。

地球上で GPS 信号が失われるのは、行ったことのない場所を探している人にとって迷惑なだけではありません。ナビゲーション信号は、船舶、輸送、農業、建設などでも広く使用されています。

カラン氏は、気泡、波頭、あるいは太陽嵐が電離層のプラズマ分布を乱すと、大気層を通過する無線信号が変化したり、失われたり、消えたりする可能性があると述べた。

「航空機、船舶、自動車のGPS信号が突然失われることで生命を脅かす影響が出る可能性があり、想像するだけでも恐ろしい」と彼は語った。

GOLD と将来のミッションのコンセプトは、科学者が最近観測された X 線と C 線の特徴の背後で起こっている現象をより深く理解するのに役立つ可能性があり、さらには電離層でそのような変化が起こる前に予測することさえ可能になるかもしれません。

「電離層の研究者にとっての課題の一つは、最終的にはその動きを事前に予測できるようになることです」とラスカー氏は言う。「そうすれば、GPS信号の消失や衛星通信の中断に備えることができるのです。」

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