非常にまれな激しい宇宙天気現象が、全地球測位システム（GPS）対応機器の利用に悪影響を及ぼす可能性があることはよく知られています。しかし、 Geophysical Research Lettersに掲載された私たちの研究は、日々発生している別の形態の宇宙天気もGPSに問題を引き起こし得ることを示しています。
こうした日々の宇宙天気現象を予測、すなわち予報する方法を知ることが、GPSに依存する人々や産業を守る鍵です。
ここ数十年でGPSの認知度と利用は劇的に高まりました。その一因として、車載衛星ナビゲーションシステムやGPS対応スマートフォンが入手しやすく、手頃な価格になったことは間違いありません。
しかし、農業、鉱業、建設業などオーストラリアの産業におけるGPSの利用も劇的に増加しており、 見込まれている ところでは、2020年までに国の経済を最大137億豪ドル押し上げるとされています。
とりわけGPSの利用と依存が高まったことで、実際には社会の宇宙天気に対する脆弱性も増しています。他のオンライン 記事で詳述されているように、宇宙天気は世界中の多くの宇宙利用技術や資産の利用に影響します。
電離圏の擾乱
宇宙天気の一般的な現象でありながら、報告されることがはるかに少ないものに、夜間に地球の電離圏で発生するプラズマの擾乱があります。これは赤道プラズマバブルと呼ばれます。
その名が示すように、 こうした擾乱 は東南アジアやオーストラリア北部など、磁気赤道付近で発生します。アフリカ一帯など経度帯によっては、これらのプラズマバブルが一年を通じてほぼ毎晩発生します。
こうした電離圏擾乱の発生を引き起こす過程には、よく知られた 太陽フレア や コロナ質量放出のような、太陽表面での高エネルギー爆発は関与しません。むしろ、プラズマバブルは電離圏内部で駆動される擾乱で、日々発生します。
日没後、低電離圏の電子密度の低いプラズマが、上部電離圏の電子密度の高いプラズマの中へ上昇します。これは、軽い流体が重い流体の中へ上昇するのに似ています。この過程は一般化 レイリー・テイラー不安定性として知られています。バブルの縁にある急峻な勾配によって、プラズマ波、すなわち乱流が生じます。
信号の途絶
この乱流は、衛星通信に使われる電波や、GPSの測位、時刻決定、航法に使われる電波信号など、その中を伝わる電波を散乱させます。
地上では、受信信号の振幅と位相が不規則に変動し始め（この現象は 電離圏シンチレーションと呼ばれます）、受信機が認識できなくなります。
その結果、衛星と地上の間の無線通信回線が頻繁に完全に切断されます。GPSを利用する場合、これは受信機が複数の衛星を同時に捕捉できなくなったときに初めて実質的な問題となります。プラズマバブルのため、磁気赤道に近い場所ではこの事態がよく起こります。
しかし、衛星通信のように使用する衛星が1基だけの場合、主要衛星との同期を失えば、明らかな悪影響が生じます。
最近の研究 では、アフガニスタンで米軍兵士とタリバン戦闘員の間に致命的な交戦が起きた際に無線通信障害が発生した事例を取り上げ、プラズマバブルがもたらし得る影響を調査しました。
これらのプラズマ擾乱が影響を及ぼす無線周波数帯は広いため、影響を受ける用途には衛星信号や通信の他の形態も含まれます。たとえば、衛星携帯通信やテレビ放送です。
バブルの予報
現在、プラズマバブルによるGPSの障害可能性を知らせる、実験的でなく一般公開されたモデルやオンライン情報はありません。これは主に、こうした擾乱についてまだ多くのことが分かっていないためです。
科学的には、プラズマバブルの季節的な振る舞いは比較的よく理解されています。しかし、ある日に発生して翌日には発生しない理由は、電離圏物理学における重要かつ現在も続く課題です。
そのため、この分野における重要な研究目標は、気象学者が従来の「雨の日」予報を出すのと同様に、特にプラズマバブルを対象とした信頼性の高い日々の宇宙天気予報能力を開発することです。
私たちの研究では、人工ニューラルネットワーク（ANN）予測アルゴリズムを用いました。これは、複数のパラメーターからなる所定のデータセットを使って学習させる自己学習型プログラムです。
この場合、パラメーターは太陽風の複数の量で、 Advanced Composition Explorer 宇宙機によって測定されました。この宇宙機は、太陽と地球の間にある ラグランジュ点L1 に位置しています。 アルゴリズム はこのデータを用いて、測定された太陽風によって生じる地磁気活動のレベルを予測しました。
この予測アルゴリズムの出力を物理学に基づく上層大気モデリングと組み合わせ、こうした擾乱の発生予測を試みました。
プラズマバブルの予測で最大95％の精度を示すことができ、電離圏シンチレーションの影響を受ける人々に、障害の可能性を数時間前に知らせられる可能性があります。このような予報があれば、GPSに依存する人々や産業は、障害が発生する前に計画を立て、対策を講じることができます。
GPSに役立つ地磁気活動もある
また、私たちの結果は、太陽表面に由来するプラズマ擾乱に関連する、一般的で強度の低い 地磁気嵐が、赤道プラズマバブルの成長とGPSへの障害を効果的に抑え得ることも示しました。
これは重要です。オーストラリア・ニュージーランド地域では、バブルのピークシーズン（2月から4月、および8月から10月）に、プラズマバブルが毎日成長しやすい条件が整うためです。
地磁気嵐は地球規模の上層大気の風系を変化させ、これらの期間に赤道でバブルが成長するのを妨げることを示しました。この結果は、GPS観測によって十分に裏付けられました。
こうした太陽起源の地磁気擾乱はバブルの成長を止めるため、プラズマバブルのピークシーズン中も夜間にGPSを使い続けられる機会をもたらします。
したがって、東南アジア、太平洋地域、南米、アフリカなどの低緯度地域でGPSを利用する人々にとって、太陽による地磁気擾乱は、シンチレーション現象が通常毎晩起こる時期に、日没後のGPSシンチレーション現象を実際に抑える助けとなります。
共同掲載： The Conversation
著者：ブレット・カーターは、RMIT大学の宇宙天気・電離圏物理学の博士研究員です。
画像：2012年2月28日、アムステルダムで撮影された写真イラストに、TomTomのナビゲーション機器が写っています。REUTERS/Robin van Lonkhuysen/United Photos。
