電力・通信・放送インフラを破壊する太陽風のリスクとは？

太陽風をご存知でしょうか？

現在のところ太陽風に対する対策はほとんど検討されていませんが、実は甚大な災害に繋がるリスクがあります。
太陽風に耳馴染みのない方は、オーロラの発生原因となっている現象と聞くと身近に感じられるでしょうか。

あまり知られていませんが、太陽風はこれまで、電力のインフラを破壊して大停電を引き起こしたり、人工衛星に悪影響を与えて衛星放送を途絶させたりするなど、人間社会に大きな被害を与えてきました。

また、太陽活動に由来する太陽風は、事象の規模に大きなバラツキがあるため、場合によっては、世界中の電力網や通信網、携帯電話網などに大きな被害をもたらす可能性があります。

この記事では、太陽風に関する詳細や原理、人間社会への影響やこれまでの被害、対応や対策についてご紹介していきます。

太陽風とは

太陽風とは、太陽から吹き出すプラズマの流れのことです。

地球上では、酸素や窒素といった空気の流れが風となりますが、宇宙空間では、太陽から放出された高エネルギー状態の電磁波や荷電粒子、それらが混合したプラズマが飛び交って激しく変化しており、その流れが太陽風と呼ばれる風となっています[*1, *2]。

太陽風の起源は、太陽の大気です。

そもそも太陽は、ガスの集まりであるため、地球の地表のようなはっきりとした境界はなく、光球と呼ばれる太陽光が生み出される層が地表のように見えています。その光球面から1,500km程度までは太陽の大気層とも言える彩層が占め、光球面から2,000kmほど上空にはコロナと呼ばれる超高温（100万℃以上）のプラズマ状態となっているガス層が存在します(図1), [*3, *4]。

図1: 太陽の構造
出典: 国立大学法人 北陸先端科学技術大学院大学(JAIST)｢太陽に関係した情報(2017)｣
http://www.jaist.ac.jp/~tujimoto/hasshin/shouriken/fukabori/%E5%A4%AA%E9%99%BD%E3%83%95%E3%83%AC%E3%82%A205.html

太陽風となるプラズマは、このコロナから宇宙空間へ常時放出されており、その放出量は毎秒100万トン、速度は300～450km/sに達し、所要時間4～6日で地球に到達します[*5, *6]。

太陽風はX線や紫外線、高温の電離気体といった生命に有害なものを含んでいます。

しかし、地球は、大気が太陽光などで電離してプラズマ状態となっている「電離圏」と、地磁気に起因し、電離圏と結合して地球内外に広く影響を及ぼす「磁気圏」という防護壁を持っており、それぞれ以下のような役割を果たしています(図2), [*7, *8]。

・電離圏…X線や紫外線などの電磁波を吸収して地上に届くのを防ぐ。

・磁気圏…プラズマや荷電粒子といった電気を帯びた粒子が地球に到達するのを防ぐ。

図2: 太陽風へ防護壁として機能する電離圏と磁気圏
出典: 脈動オーロラ研究プロジェクト｢脈動オーロラとは?｣
http://www.psa-research.org/project/

太陽風の原因となる現象と人間活動への影響

しかし、「コロナホール」や「太陽フレア」、「コロナ質量放出（Coronal Mass Ejection: CME）」と呼ばれる現象に伴って放出される太陽風は、地球周辺の宇宙空間、磁気圏および電離圏に様々な現象を引き起こし、人間の社会に影響を与えることがあります(図3)。

その人間社会に影響を与えるほどの現象を「宇宙嵐」、地球周辺の宇宙空間、磁気圏および電離圏の状況を「宇宙天気」と呼びます[*9, *10]。

図3: 宇宙嵐の発生と社会に生じる障害
出典: 国立研究開発法人 情報通信研究機構｢太陽フレアなど宇宙天気による社会への影響を評価~宇宙天気は日本にどのような影響を及ぼすか~(2020)｣
https://www.nict.go.jp/press/2020/10/07-1.html

コロナホールによる影響

コロナホールとは、コロナの中でも低温かつ低密度な部分のことで、700～800km/sにも達する高速度の太陽風を吹き出している領域のことです(図4), [*11]。

図4: コロナにおけるコロナホール
出典: 自然科学研究機構 国立天文台｢ひので/XRTで見る、太陽の自転･コロナの発達−ひので衛星X線望遠鏡(XRT)による太陽コロナの長期間観測−(2007)｣
https://hinode.nao.ac.jp/news/results/xrt-xxrt-1/

コロナホールが太陽の自転周期である約27日で回転することから、コロナホールから吹き出す高速太陽風は、スプリンクラーから放出される水のように、宇宙空間の様々な方向に撒き散らされています[*12]。

また、コロナホールは、約11年の周期で大きさや出現位置を変えるため、コロナホールの位置が地球の方向にあるときには、高速太陽風も地球方向へ放出されることとなり、太陽の自転周期ごとに地球に影響を与えます[*11]。

その影響は、地磁気が撹乱される「地磁気擾乱」や磁気圏内のヴァン・アレン帯（放射線帯）と呼ばれる領域の電子の流れが増大する「放射線帯電子嵐」として現れます(図5)。

地磁気擾乱は、オーロラ発生の原因となるほか、鳩などの地磁気で方向を認識している生物に影響を与えると考えられています。

一方、放射線帯電子嵐は、人工衛星内部の回路・導体や宇宙機のケーブルシールドなどの絶縁物内に帯電を起こすことが知られています[*13]。

図5: ヴァン･アレン帯(放射線帯)のイメージ
出典: 国立研究開発法人 情報通信研究機構 宇宙天気予報センター｢磁気圏｣
https://swc.nict.go.jp/knowledge/magnetosphere.html

太陽フレアによる影響

コロナホールから放出される高速太陽風に比べて、より大きな影響を地球へ与えるとされるのが太陽フレアです。

太陽フレアとは、コロナで発生する爆発現象のことで、爆発に伴って、プラズマや高エネルギー荷電粒子、X線・紫外線などの放射線を大量に放出します(図6)。

その爆発の規模は、大きさが1万～10万kmにも及び、それは水爆の10万～1億個分に匹敵します。コロナホールの変動のように11年周期で発生の増減を繰り返す現象で、平均すると、小規模な太陽フレア（水爆10万個分）は日に3回程度、大規模な太陽フレア（水爆1億個分）は年に1回程度発生しています[*12, *14, *15]。

図6: 2017年9月7日に米航空宇宙局(NASA)の観測衛星によって観測された太陽フレア
出典: 国立研究開発法人 科学技術振興機構 Science Portal｢大規模太陽フレア観測とNASA(2017)｣
https://scienceportal.jst.go.jp/newsflash/20170908_01/index.html

その地球への影響は大きく、上述の地磁気擾乱のほか、X線や紫外線、電波などの強い電磁波による「電磁波嵐」や高エネルギーの陽子や重粒子のイオンなどによる「高エネルギー粒子嵐」を引き起こし、地球近傍の宇宙環境を大きく乱します[*13]。

電磁波嵐は、電離圏が撹乱される「電離圏擾乱」を発生させることで、船舶・航空機の通信や国際放送などに利用されている短波帯の通信を途絶するほか、携帯電話を混信させたという事例が報告されています。

他方、高エネルギー粒子嵐は、電離圏擾乱の原因となるほか、人工衛星のコンピュータに誤作動や故障を引き起こしたり、人工衛星が搭載する太陽電池を劣化させたりすることが知られています。また、高エネルギー粒子嵐が発生しているときは、北極・南極近くを飛行する航空機の乗務員や宇宙機の乗組員に対する被曝量が増加するので注意が必要です[*13]。

コロナ質量放出（Coronal Mass Ejection: CME）による影響

太陽フレアに伴って、コロナから大量のプラズマが放出される現象をコロナ質量放出と呼びます。ただし、コロナ質量放出は、太陽フレアとは別に発生することもあります[*12]。

コロナ質量放出は、大規模な地磁気擾乱である「地磁気嵐」を引き起こし、大規模な電離圏擾乱である「電離圏嵐」や地上の金属製の設備などに電流を誘導する「地磁気誘導電流（Geomagnetically Induced Current: GIC）」を誘発します[*13]。

地磁気嵐は、オーロラ発生を活発化するなど、上述した地磁気に関連した様々な現象をより大規模にして引き起こすほか、電離圏嵐や地磁気誘導電流を引き起こします。

地磁気嵐によって誘発された電離圏嵐は、VHFやUHF、マイクロ波までをも含む短波帯の電波を使った通信に影響を与えます。そのほか、電離圏嵐が発生すると、電離圏を通して伝わる衛星からの電波に遅れが生じ、GPSによる測位（現在位置の測定）の誤差が大きくなってしまいます。

地磁気誘導電流は、送電線やパイプに誘導電流を発生させる現象で、オーロラが発生する高緯度地域で特に観察されます。送電システムの障害やパイプラインの電気腐食を引き起こすほか、海底ケーブルの中継器に電源を供給するケーブルや鉄道の線路を使った信号の伝送などにも影響を与えることが報告されています[*13]。

太陽風の被害

人間社会に多大な影響を与える太陽風ですが、実際に世界中で様々な被害をもたらしています。

例えば、1989年3月に発生した太陽フレアでは、地磁気嵐が引き起こされ、カナダのケベック州にて約9時間の大規模停電が発生し、600万人が被害を受けました(図7)。被害総額は、数100億円以上に及んだと言われています。

その規模は数年に1度と言われるほどですが、逆に言えば、数年に1度はこの規模の被害が発生するとも言えます[*16]。

図7: 1989年3月発生の磁気嵐を原因とするアメリカとカナダ南部の電力システム障害
出典: 国立大学法人 京都大学宇宙総合学研究ユニット｢人類はスーパーフレアを生き延びられるのか(2013)｣
http://www.usss.kyoto-u.ac.jp/wp-content/uploads/2021/03/shibata.pdf, p.12

1994年には、世界各国の人工衛星で内部帯電が原因と思われる障害が立て続けに発生しています。1月20日にはカナダの通信衛星で通信障害が発生しており、その約1ヶ月後の2月22日には冬季オリンピックを中継していた日本の放送衛星が中断する事態が起こっています[*17]。

太陽フレアによる高エネルギー粒子嵐の被害も度々観察されており、日本では、2001年に放送衛星の姿勢制御に不具合が発生して1時間程度放送が中断し、2005年には放送衛星からの信号が喪失するという障害が生じています[*17]。

また、スウェーデンでは、2003年10月に大規模な磁気嵐が発生して地磁気誘導電流が誘発され、送電システム障害による停電が起きています[*18]。

太陽風の地球への影響は南極大陸などに残存する氷床から昔に遡って観察することができますが、太陽フレアそのものが観察されたのは、イギリスの天文学者キャリントンによる1859年9月1日が最初です。

この太陽フレアは、「キャリントンイベント」とも呼ばれ、翌日の9月2日には、観測史上最大と考えられている規模の地磁気嵐を誘発しています。

この地磁気嵐によって、ハワイやカリブ海沿岸などの低緯度地域も含む世界中で巨大なオーロラが発生したと伝えられており、欧州や北米では、巨大な地磁気誘導電流によって電信網や電報用紙が自然発火するなどして、電報システムが寸断されたと報告されています[*16, *19]。

この災害は、送電網や電波網などが発達していないときに起こったものですが、もし現代に同等規模の地磁気嵐が発生したとすると、約2兆米ドル（約228兆円）規模の経済損失が見込まれると報告されています。ちなみに、その経済損失は、日本の国家予算の2年分とほぼ同額です[*19]。

しかし、キャリントンイベントと同等規模の太陽フレアは、地球に影響しない太陽の裏側でしたが、2012年7月にも発生しており、もし地球に到達していた場合、甚大な被害を世界各国に与えたと予想されます[*20]。

太陽風リスクへの対策

このような太陽風リスクの可能性から、世界各国で宇宙天気を観測して情報提供する体制が構築されています。

例えば、日本では、情報通信研究機構（NICT）が太陽フレアや地磁気嵐、高エネルギー粒子に関する宇宙天気予報を日々発令するとともに、大きな宇宙嵐が発生した際にはWebなどで情報が発信されています[*13]。

一方、米国では、太陽風を地震や津波などに並ぶリスクと捉えて、国家の安全保障に対する脅威や危機、リスクを評価して備えるための枠組みである「米国戦略的国家危機評価」の1つに位置付けており、海洋大気庁（NOAA）から毎日宇宙天気予報を発表しています[*21]。

国際宇宙環境情報サービス（ISES）と呼ばれる国際的な機関も存在しており、参加する各国が協同して宇宙天気の迅速な情報交換などを実施しています [*13]。

しかし、太陽風リスクに備えようとする動きは、国や大学などの研究機関以外ではほとんど進められていないというのが現状です[*22]。

つまり、もしキャリントンイベント級の宇宙嵐が地球を襲うと、電力や通信、放送などのインフラに甚大な被害が発生することを意味します。

従って、電力・通信・放送のインフラや宇宙に関係する企業や団体は、まず太陽風によるリスクがどの程度存在するのかを確認し、現実的にリスクが存在するならば、減災に向けた対策を検討する必要があります。

それは、例えば、電力のインフラに対する対策であれば、停電する地域を限定できるように、小規模な発電設備を分散配置して電力網の分散化を図る、電力の流れの制御と最適化を可能とするスマートグリッド化を進めるなどが考えられます。

太陽フレアやコロナ質量放出は、発生予測が難しいという課題もあります。

ただし、人間社会への影響が大きい宇宙嵐は、電磁波によるものではなく、プラズマや高エネルギー粒子によるものであり、地球へ到達するまでの時間的猶予が2～3日程度あります。そのため、関係する企業や団体の事前準備が為されていれば、太陽でフレアが発生した後でも、対応を開始することは不可能ではありません。

また、太陽フレアの発生機構の研究が進展しており、予測精度に改善の兆しが見え始めています[*23]。

他方、太陽風リスクは、台風の到来に対して外出を避けるなどと異なり、個人の対策が難しい問題です。

しかし、現在であれば、太陽光発電と蓄電池を導入して自家発電自家消費を進めるなどの手段があります。

とは言え、コンピュータ制御されている水道が止まったり、食品の流通が滞ったりすることはあり得るので、地震などに対する対策のように、食料や水を備蓄しておくことは大切です。

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