地磁気観測で静穏な日変化を差し引いて磁気嵐の擾乱度を測るのは、地磁気が静かな日でも1日の中で規則的に変化しているからです。観測された変化をそのまま「磁気嵐の大きさ」とみなすと、太陽活動による擾乱と、普段から存在する日周変化を混同してしまいます。
そこで地磁気観測では、静穏時に期待される日変化を基準として取り除き、その基準からどれだけ大きく外れたかを評価します。K指数はその代表例で、気象庁地磁気観測所では1日を3時間ごとの8区間に分け、静穏な日変化からのずれを0〜9の10段階で表します。
つまり磁気嵐の擾乱度を正しく比べるには、「いつも起こる規則的な変化」と「その日に特別に加わった乱れ」を分ける必要があるのです。
地磁気は静かな日でも一定ではない
地表で測る地磁気は、地球内部が作る主磁場だけではありません。上空の電離圏や磁気圏を流れる電流も地表の磁場へ影響します。
USGSは、静穏時でも太陽放射によって電離した電離圏に電流系が生じ、地球の自転に伴って観測所の記録に明瞭な日変化が現れると説明しています。
そのため「今日の正午は朝より磁場が少し違う」というだけでは、磁気嵐が起きた証拠にはなりません。平穏な日にも似た時間変化が存在するからです。
静穏な日変化はなぜ生じるのか
昼側の電離圏は太陽放射によって電離し、電気を流しやすくなります。そこへ大気の風や潮汐運動が加わると、荷電粒子が動いて電流が流れます。
気象庁地磁気観測所は、静穏な日でも昼側の電離層で生じる風に伴って荷電粒子が動き、地磁気の日周変化が見られると説明しています。
この日変化は太陽活動による突然の擾乱ではなく、比較的規則的に繰り返される背景変化です。
観測値をそのまま比べると何が問題なのか
ある3時間の磁場変化が大きく見えても、その時間帯がもともと静穏日変化の傾きが大きい時間なら、全部を擾乱と数えるのは適切ではありません。
逆に、静穏日変化が小さい時間帯に急な変化が起きれば、同じ絶対変化量でも磁気圏擾乱の寄与が大きい可能性があります。
そのため地磁気活動度を評価するときは、「基準となる静穏曲線からどれだけずれたか」を見る必要があります。
K指数は何を測っているのか
K指数は、地磁気擾乱の程度を表す代表的な指数です。
気象庁地磁気観測所によると、1日を3時間ごとの8区間に分け、それぞれの区間で静穏な日の日変化曲線からどれだけ外れたかを、準対数的な0〜9の10段階で表します。
数値が小さいほど地磁気活動は穏やかで、大きいほど擾乱が強いことを示します。
なぜ3時間ごとに評価するのか
磁気圏の擾乱には、数分の急変から数時間続く変化までさまざまな時間スケールがあります。
K指数は1日を8つの3時間区間に分けることで、1日平均では埋もれてしまう時間帯ごとの乱れを捉えつつ、短すぎる変動に過度に左右されない指標として使われます。
NOAAもK指数を、3時間区間における地磁気水平成分の最大変動を基にした0〜9の指数として説明しています。
なぜ静穏日曲線を差し引く必要があるのか
K指数が知りたいのは、毎日繰り返される規則的な変化ではなく、不規則な擾乱の大きさです。
そのため観測値から静穏な日変化に相当する基準を取り除き、その残差の幅を評価します。
NOAA NCEIも、K指数を「想定される静穏日曲線に対する3時間ごとの磁気活動範囲」と説明しており、静穏日変化を基準にする考え方は国際的に共通しています。
静穏日曲線は単純な直線ではない
静穏な日変化は、朝から夜まで一定の傾きで変わるわけではありません。時間帯、季節、太陽活動度、観測地点によって形が変わります。
USGSの研究では、静穏日変化は地方時、季節、太陽活動、月齢などに依存することが示されています。
そのため、単純に「昨日との差」や「その日の平均値との差」を取るだけでは、正しい静穏基準にならないことがあります。
磁気嵐の最中に基準線を作る難しさ
磁気嵐の最中は、観測値そのものが大きく乱れています。そのデータから静穏な基準線を推定すると、擾乱に引っ張られて基準自体がずれてしまう可能性があります。
気象庁地磁気観測所は、簡便なリアルタイム判定の研究で、磁気嵐中の観測値をそのままつなぐと静穏日変化を正しく求めにくいことを示しています。
このため、過去の静穏日データや平滑化手法、観測者による確認などを利用して、擾乱そのものを基準へ混ぜない工夫が必要です。
静穏日変化を完全に機械的に決めるのが難しい理由
地磁気擾乱にはさまざまな周期や形があります。基準線を自動計算すると、ゆっくりした擾乱の一部を「静穏な日変化」と誤認してしまう場合があります。
気象庁地磁気観測所は、LRNS法などの平滑化手法を参考にしつつ、擾乱の形によってずれが生じる場合には観測者が確認・修正できる仕組みを導入しています。
つまりK指数は単に生データの最大値と最小値だけを読む指標ではなく、背景となる静穏変化を適切に見積もることが重要です。
磁気嵐ではどんな変化が現れるのか
磁気嵐では、太陽風や磁気圏電流系の変化によって地表の地磁気が大きく乱れます。
気象庁地磁気観測所は、典型的な磁気嵐で水平分力が急変した後に大きく低下し、その後ゆっくり回復する主相・回復相が見られると説明しています。
こうした変化は静穏日変化とは形も大きさも異なりますが、定量的に評価するには静穏基準を取り除く必要があります。
K指数5以上が磁気嵐判定で重視される理由
気象庁地磁気観測所では、磁気嵐の判定条件の一部としてK指数5以上の区間が含まれることを用いています。
これはK指数5以上が、平穏な日変化の範囲を大きく超える地磁気擾乱が発生している目安になるためです。
ただし磁気嵐の判定はK指数だけでなく、水平分力の特徴的な減少や擾乱較差なども含めて行われます。
K指数は磁気嵐そのものの強さと完全に同じではない
K指数は局地的な3時間の地磁気活動度を表す指標です。磁気嵐の全体的な強さや世界規模の磁気圏状態を一つの数値だけで完全に表すものではありません。
同じ磁気嵐でも、観測地点の緯度や電離圏・磁気圏電流系との位置関係によってK指数は異なることがあります。
そのため世界的な活動を見るときには、複数観測所を標準化して平均したKp指数なども使われます。
Kp指数はなぜ複数の観測所を使うのか
一つの観測所のK指数には、その場所特有の地磁気応答が含まれます。
NOAAは、Kp指数を中緯度の複数の地磁気観測所から得た標準化K指数を組み合わせた惑星規模の指標として説明しています。
複数地点を用いることで、局地的な変化だけでなく、より広域な地磁気活動を評価しやすくなります。
観測所ごとに同じ変動量でもK指数が違うことがある
地磁気変動の典型的な大きさは緯度によって異なります。高緯度ではオーロラ電流系などの影響で変動が大きくなりやすいからです。
そのためK指数のnT範囲は観測所ごとに同じではありません。
NOAAは、歴史的な出現頻度が観測所間で近くなるよう、地点ごとにK指数への変換スケールを設定していると説明しています。
永年変化も別に考える必要がある
地球内部の主磁場は、外核の流れの変化によって年単位から数十年単位でゆっくり変わります。これを永年変化と呼びます。
この長期変化は磁気嵐とは時間スケールも原因も異なるため、日々の擾乱指数とは分けて扱います。
地磁気観測では、短期の活動度を測る指標と、長期的な主磁場変化を追う解析を分離することで、異なる物理現象を混同しないようにしています。
なぜ地磁気観測には長期連続記録が重要なのか
静穏日変化の季節差や太陽活動周期、磁気嵐の頻度、永年変化を区別するには、長期間にわたる安定した観測が必要です。
短い期間だけを見ると、その変化が日周変化なのか季節変化なのか、太陽活動の一時的な擾乱なのか判断しにくくなります。
地磁気観測所が同じ場所で連続観測を続けることには、変化の時間スケールを切り分けるという大きな意味があります。
静穏日を基準にする考え方はノイズ除去と似ている
地磁気観測で静穏日変化を差し引く考え方は、信号処理で背景成分を取り除いて目的の変化を抽出することに似ています。
観測値には、規則的な日変化と不規則な擾乱が同時に含まれています。そこで予想される背景を推定して引き算すると、磁気嵐などに関連した変化を見やすくできます。
ただし背景推定が誤っていると、本来の擾乱を消したり、逆に静穏変化を擾乱として残したりするため、基準線の決め方が重要です。
地磁気活動度を正しく比べるには基準が必要
磁気嵐の擾乱度を測る目的は、単に「今日は磁場が何nT変わったか」を知ることではありません。
平常時からどれだけ外れたのかを、時間帯や観測地点の違いを考慮しながら共通の尺度で評価することが重要です。
K指数はそのために静穏日変化を差し引き、3時間ごとの擾乱幅を段階化しています。
静穏日変化を差し引く本質
地磁気観測で静穏な日変化を差し引く本質は、「規則的な背景」と「不規則な擾乱」を分けることにあります。
地磁気は静穏時にも電離圏電流によって日周変化します。磁気嵐ではその上に磁気圏や電離圏の大きな擾乱が加わります。観測値をそのまま比べるだけでは、両者を正しく分離できません。
そこで静穏時に期待される変化を基準として取り除き、その残りを評価します。これによって、いつ・どこで観測しても、磁気嵐による「いつもとは違う乱れ」をできるだけ公平に比較できるのです。
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参考資料
- 気象庁 地磁気観測所「地磁気現象検出の迅速化と地磁気現象に関する情報活用に関わる調査」
- 気象庁 地磁気観測所「用語の説明」
- 気象庁 地磁気観測所「磁気嵐」
- U.S. Geological Survey「Introduction to Geomagnetism」
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