发布日期: 2024/11/15发现了从磁暴起源的“从下到上”传播的地球大气最上部的变动-为观测高度500 km的氦、改善和扩展宇宙天气预报做出贡献-概要国立极地研究所、东北大学、电气通信大学、产业技术综合研究所的研究小组，根据2023年2月26日世界通用时19点左右发生的磁暴*1，在世界上首次观测到了存在于地球大气最上部(高度500 km附近)的氦急剧减少的现象。 这一现象通过对设置在斯瓦尔巴群岛长耳文(北纬78度)的光学设备和大型雷达的同时观测得以明确，在磁暴发生后的1小时内观测到氦的减少，之后几天左右持续减少。 该观测结果表明，磁暴的影响在地球大气内部“从下向上”传播，以比人造卫星和国际宇宙空间站在地球大气外缘飞行的高度超出预想的速度到达，可以认为对改善支撑社会基础设施的“宇宙天气”的预报精度和扩大预测高度范围做出了贡献背景地球大气高度300 km - 500 km的区域被称为上部热圈，位于与宇宙空间的最上部边界，是太阳活动影响显著的区域。 但是，来自地面的遥感手段有限，特别是极域虽然磁暴的影响很大，但完全没有进行稳定的观测。 因此，有必要掌握上热区在时间上的连续观测会在怎样的时间空间尺度上变动、其特征和物理过程。这次的成果因此，本研究作为上部热圈的观测目标，关注以高度500 km为中心存在的亚稳态氦*2(以下称为氦)，开发了利用对波长1083 nm的氦发光具有灵敏度的最新InGaAs检测器*3的观测仪器，开发了位于北极的斯瓦尔巴群岛的观测仪器 2023年2月26日中型磁暴发生后，确认氦在1小时内减少，另外，临近的大型雷达European incoherent scatter sval bard radar * 4随着磁暴的发展高度为100 km-1224 氮分子进一步上升到高度500 km附近，认为氮分子和氦的碰撞能量交换促进了氦减少的反应(参照图1和附件，补充资料)。此次观测结果表明，从宇宙空间向地球大气“自上而下”传播的磁暴的影响，以不同的形式再次“自下而上”传播，以超出预想的速度到达了地球大气边缘部高度500 km。 上部热圈是2022年2月发射后不久的Starlink卫星*5中的38颗由于磁暴的影响，投入轨道失败而丢失等，在低轨道卫星的运用中非常重要的区域。 因此，可以认为，对上部热圈变动过程的理解，将对改善支撑社会基础设施的“宇宙天气预报”的精度和扩大预测高度范围做出贡献。

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图1观测概述和预期机制今后的展望这次的观测事例表明氮分子上升到了高度500 km，但详细的氮分子加热流程和与氦的反应量需要通过数值模型进行验证。 另外，准稳定性氦在火星和系外行星的大气观测中也是重要的目标，在与行星观测·探测合作的同时，推进遥感技术的提高(氦的温度和速度的导出等)。 另外，关于本研究结果的详细情况，将于2024年11月24日在东京都立川市举行的“地球电磁地球行星圈学会第156次总会及演讲会”上发表。术语说明*1:磁暴太阳发生大规模爆炸时，会释放出大量的等离子体(电离成离子和电子的气体)。 该等离子体到达地球时，地球的磁场和大气在全球范围内混乱的现象。 众所周知，磁暴发生时极域极光爆炸频繁发生。 *2:亚稳态氦众所周知，如果对原子赋予光和粒子的能量，就会暂时保持较高的能量，成为被称为“激励”的状态。 通常情况下，激发的原子会释放光等能量，在纳秒( 10-9 )到微秒( 10-6 )左右的短时间内从激发态返回到通常的状态，但众所周知，热圈的氦的激发态持续2小时左右等，寿命非常长。 *3:InGaAs检测器由铟( In )、镓( Ga )和砷( As )组成的化合物半导体。 通常用于照相机等的基于硅( Si )的半导体对可见光具有灵敏度，能够高效地测定(另一方面，由于对长波长不敏感，因此不能用于近红外区域的测定)，而与波长更长的光(通常为900 nm–1600 nm )相比 由此，可以将进入InGaAs检测器的短波红外光的光量作为电信号的大小进行测量。*4:欧盟内部加速器设置在斯瓦尔巴群岛的长耳宾(北纬78度，东经16度)，运用了2台直径42 m和32 m的抛物面天线的大型大气雷达。 由日本、挪威、瑞典、芬兰、英国、中国六国的EISCAT科学协会运营。 通过向上空发射强力电波，检测在大气中散射返回的微弱电波，可以对磁暴和极光发生时密度增加的电子密度和温度、离子的温度和电场等进行高精度的测量。 *5:Starlink卫星是美国的民间企业SpaceX (正式名称: space exploration technologies corp.)开发、发射、运用的低轨道卫星，构成了总数达数千颗的大规模卫星星座(卫星群)。 通过连接这些卫星群和地面站，提供卫星互联网接入服务。

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图2地球大气及地球附近宇宙空间的垂直结构和观测概要，氦分布的中心高度与国际空间站和Starlink卫星飞行的高度重叠。 ( ISS image: @ESA )观测结果的关键据悉，磁暴开始后1小时内氦的亮度急剧减少，与OH分子(高度80 km )的发光亮度相比也明显减少，减少量是整个观测期间( 17天)的统计变化无法解释的。 这种氦的减少持续了几天左右。另一方面，也明确了在氦减少期间，氦在几个小时左右的范围内急剧增加。 根据雷达的观测，电子密度的增加也同时发生，这暗示着从宇宙空间降落到地球大气的粒子引起了氦的增加。

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图3磁暴后不久的光学观测结果(氦及OH分子的发光)和雷达观测结果(电子密度)地面观测方法的关键以前以上部热圈为对象的光学观测，以高度200 km附近的氧原子的观测为主流，但通过观测氦，捕捉了更高高度的热圈上部的变化。光学观测装置根据产业技术综合研究所计量标准综合中心的光谱标准进行了灵敏度校正，在与国外研究者进行相互数据比较时具有很高的可靠性。这是世界上首次在磁暴影响明显的极域，经过两周以上的时间分辨率高的光学观测，结合了磁暴发生后的雷达观测。

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图4 (左)斯瓦尔巴群岛和长耳标位置(右)长耳标来自Kjell Henriksen Observatory的风景

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