電離圏観測の概要
電離圏とは？
地球の高度約60kmより上には、「電離圏（電離層）」と呼ばれる領域が拡がっています。電離圏は太陽からの極端紫外線やX線によって超高層大気中の原子・分子の一部が電離し、電子やイオンを含んだ電離ガス（プラズマ）になることで作り出されます。短波帯の電波は電離圏で反射する性質があるため、遠距離との無線通信に利用されてきました。
一方、極超短波やマイクロ波帯の電波は電離圏を突き抜けるため、地上－人工衛星間の通信（衛星通信）や人工衛星を用いた測位（衛星測位）などに利用されています。電離圏の状態は、太陽や地球周辺の宇宙環境の変動、下層大気の影響によって変動することが知られています。時には短波による通信ができなくなる電離圏嵐が発生することがあります。
また、極域ではオーロラ活動に伴う電離圏の変動によって、一方、赤道域ではプラズマバブルと呼ばれる電離圏の穴（密度の低い領域）によって、電波のゆらぎ（シンチレーション）が発生することがあります。このシンチレーションが非常に強い時には、衛星通信ができなくなってしまうことも起こります。さらに、電波は電離圏を通過する際に速度が遅くなる性質があります。この電波の遅延の度合は、電波が電離圏を通過する際の電子の量（全電子数）によって変化します。このため、電離圏変動は衛星測位の誤差要因でもあります。
電離圏変動のみならず、太陽活動に伴う宇宙環境変動を把握し、通信・放送・測位を安心・安全に利用していくために、NICTでは宇宙天気予報の業務と研究開発を行っています。電離圏については、日本国内で60年以上にわたり継続して観測を行っています。現在は、北海道（サロベツ）、東京（国分寺）、鹿児島（山川）、沖縄（大宜味）の4か所で15分おきに電離圏の垂直観測を実施し、その観測結果をWebで公開しています。さらに、日本国内に加えて南極昭和基地においても電離圏の観測を実施しています。ここでは、NICTが南極昭和基地での定常観測の1つとして、継続的に行っている電離層定常観測の歴史や現在実施している観測内容についてご紹介します。
高度60㎞程から1000㎞程に存在します。電離圏の濃さ（電子密度）は、一般的に高さ300㎞程にピークをもち、
電離圏は地球の磁場や太陽活動の影響を受けて変動しています。
詳しくは、http://wdc.nict.go.jp/IONO/の「電離圏とは？」を参照
現在の観測
現在、NICTは南極昭和基地で2種類の観測を実施しています。以下にその内容を紹介します。
1. 電離圏の垂直観測（イオノゾンデ）
電離圏の垂直（高さ）方向の電子密度の構造を観測する手法として、レーダーの原理を応用したボトムサイドサウンディングがあります。これは地上から垂直方向に打ち上げた短波帯の電波が電離圏で反射して戻ってくる時間を測定して、ある周波数の電波を反射する電離圏の高さを推定するものです。電子密度の大きさと電離圏で反射される電波の周波数の間には一定の関係があるため、周波数毎に電波の反射に要する時間を測定することで、電離圏の電子密度の高さ方向の変化を推定することができます（図1）。
この観測に用いる装置をイオノゾンデと呼んでいます。NICTでは、長年、パルス型と呼ばれる方式のイオノゾンデを使って観測を行ってきましたが、省電力化及び保守作業の省力化を実現したFMCW型と呼ばれる新方式の装置を新たに開発し、観測の移行をしました（図2）。
観測原理の模式図
2. 衛星電波シンチレーション観測
南極や北極などの極域の電離圏では、オーロラ活動の元になる磁気圏からの電子の降り込み等によって電子密度が変動します。この密度変動により、GPS衛星からの電波がシンチレーションを起こします。また、この細かな密度変動が電離圏プラズマの風で流されることにより、観測する場所によって、シンチレーションのパターンが時間差を示します。
NICTでは、南極昭和基地に衛星電波シンチレーションを観測する装置を3台設置し、GPS電波の受信に対するシンチレーションの影響の研究や、3台のデータを比較することで、電離圏プラズマの水平ドリフト速度を推定する手法の開発を行っています。
昭和基地における電離圏観測の場所
電離層定常観測の関連施設です。古くから順に旧電離層棟、電離層棟、電離層観測小屋があります。40mデルタアンテナ1号基、2号基は現用です。30mデルタアンテナは10C型電離層観測装置のアンテナとして使用されてきましたが、2019年1月に撤去されました。
左下：電離層観測小屋内部、右下：FMCW型電離層観測装置をチェックする隊員
