理系大学生のための太陽研究最前線体験ツアー
2023年3月31日

宇宙天気と宇宙気候
太陽活動を予測する名古屋大学宇宙地球環境研究所
名古屋大学理学研究科
太陽宇宙環境物理学（ＳＳＴ）研究室

草野完也

宇宙天気と宇宙気候

宇宙天気 (Space Weather)

短期的な太陽活動（特に、フレア及びコロナ質量放出）に伴って発生する地球と地球周辺宇宙空間の環境変動：オーロラ嵐、磁気嵐、プロトンイベントなど

宇宙気候 (Space Climate)

長期的な太陽活動の変化（黒点周期変動）に伴って発生する地球と地球周辺宇宙空間の環境変動：気候変動、大気成分変化、大気散逸など

西暦

西暦

Galileo’s sketches

１６１３年６月～７月

Solar magnetic field4

過去30年間の太陽磁場（黒点）活動

2023/4/22太陽周期を説明する磁束輸送ダイナモモデル

Sun’s differential rotation

meridional circulation （子午面循環）6太陽対流層シミュレーション©RIKEN

Hotta and Kusano 2021 Nature Ast.
7

太陽対流層シミュレーション©RIKEN

Hotta and Kusano 2021 Nature Ast.
8

太陽対流層シミュレーション©RIKEN

Hotta et al. 20199

太陽黒点形成シミュレーション©RIKEN

Kaneko et al. 2022

10

Coronal magnetic field

11

太陽面爆発
太陽系最大級の爆発現象


太陽フレア
突発的で強力な電磁波放射（電波～γ線）
 高エネルギー粒子


フィラメント噴出

フィラメント（プロミネンス）の突発的噴出

コロナ質量放出:CME

コロナプラズマの突発的放出12

Solar Flare and Eruption

Large solar flare on Dec. 13, 2006 observed by Hinode.

13

Solar Flare and CME
Solar flareCoronal Mass Ejection (CME)Interplanetary Coronal Mass Ejection (ICME)

Magnetic field line

2023/4/22

Solar Wind-Magnetosphere Interaction
Inter-planetary
Magnetic Field

Sun

Magnetosphere
MagneticReconnection
磁気再結合

Solar wind

Earth

Magnetic Reconnection
磁気再結合http://en.wikipedia.org/wiki/File:Polarlicht_2.jpg

Geomagnetically Induced Currents （GICs）

NOAA 2015: https://publications.jrc.ec.europa.eu/repository/bitstream/JRC98593/eur27571en_sw%26pg_scandinavia.pdf

Solar Particle Events (SPE)SOHO/EITSpace Radiation Health Risk
Sun

No atmosphereNo magnetosphere
Solar EnergeticParticle (SEP)~100MeV (108eV)

MarsThin atmosphereNo magnetosphere

Moon

Interplanetary Space

EarthThick atmosphere
MagnetosphereGalactic Cosmic
Ray (GCR)>GeV (109eV)

Solar Particle Events during Apollo Missions

Courtesy of Miho Janvier (Institut d’Astrophysique Spatiale, France)西暦774-775年における宇宙線増加の痕跡
宇宙線(Miyake et al. 2012)

窒素14C

炭素同位体（アイソトープ）

25

Dst (nT)

激甚宇宙天気災害
超キャリントン・クラス


樹木年輪中の炭素同位体解析 西暦774~775年及び、西暦992~993年にキャリントン・イベントの10倍程度の放射線急増事象が発生したことを発見(名大：Miyake et al. 2012 Nature, Miyake et al. 2013 Nature Comm.)

太陽型恒星の超巨大フレアの可能性(京大：Maehara et al. 2012 Nature)

キャリントン・クラス
-2000

記録された最大の磁気嵐

1859年9月 Dst～-1760nT （キャリントン・イベント）

現代において発生すれば、衛星障害、通信・測位障害など全地球的な激甚宇宙天気災害を引き起こす。（被害総額10～100兆円と試算)

2012年7月 推定Dst～-1182nT （地球に到達した場合の推定）
太陽の裏面で発生したため地球には到達しなかったが、もし2週間前に発生した場合、地球に到達し、大規模被害をもたらしたと考えられる。
(Baker et al. 2013)

-1000

サブ・キャリントン・クラス


1989年3月 Dst= -589nT ケベック州大停電
2000年7月 Dst=-301nT X線観測衛星「あすか」制御不良 Dst：地球磁気圏に流れる軸対称な環電流の強さを
2003年10月 Dst= -422nT スウェーデン、南アフリカで送電表す地磁気活動度指数
システム障害、火星探査機Mars Odyssey障害

4

巨大コロナ放出（2012年7月23日）


Baker et al. 2013 Defining Extreme Space Weather Scenarios

STEREO-B

STEREO-A巨大コロナ放出のシミュレーション
Baker et al. 2013

地球密度

地球速度

太陽フレア予測の課題（Issues）
巨大フレアを如何にして予測するか？
How can we predict solar flares?
 いつ、どこで、どれほどの太陽フレアがどのように発生するのか？
When, where, and how do solar flares occur?

Magnetic field

活動領域
Active Regions

Observed by ＳＤＯ
Aug. 2, 2011

Current status of flare prediction
The flare X-ray flux (GOES flare index) vs.
sunspot area.

The currently operating flare predictions rely on
empirical methods and machine learning based on
the correlation between the various parameters ofsunspots/active regions and flares.

Sammis et al. 2000 ApJFN

Crown (2012) NOAA/SWPC for Cycle 23
Observation

positive

positive

50 TP

negative

52 FN

precision

TP/(TP+FN)~0.49

Observation

67FP31315 TN

Nishizuka et al. (2021) Deep Flare Net
Forecast>M1

2010-2015

Observation

positive

Observation

negative

positive

963 TP

4382 FP

negative

54 FN

25937 TN

X10
X1

negative

hit rate
TP/(TP+FP)~0.43

1
precision

Forecast
>X1
24h

TPTN

Nishizuka+(2021)

00C1
B1

Crown (2012)

hit rate

FPM1

1A1
small sunspot

big sunspot

32

太陽フレアの基本モデル（CSHKPモデル）
Carmichael 1964; Sturrock 1966;
Hirayama 1974; Kopp & Pneuman 1976

plasmoid

Twisted Flux Rope(plasmoid)
Reconnection
Post-flare loop

Bz−
Bz+Polarity Inversion
Line (PIL)

Shiota et al. (2005)

post-flare loop

15:39:35
15:54:35
Sep
2017
16:09:49
UTUT
Sep
10,10,
2017
X8-class flare on September 10, 2017 SDO/AIA 211

33

太陽フレアはいつ起きるの？
① Formation of active region② Piling up the free energy

PIL

twisting magnetic field?

③ Releasing the free energy
eruption
reconnection
Post-flare loop

flare

Flare and Eruption

What determines the onset of reconnection anderuption?
(similar to the substorm onset problem)

34

Magnetic polarity
inversion line (PIL)

large
Magnetic Twist

shear free(potential field)

K. Kusano et al., MAGNETIC FIELD STRUCTURES TRIGGERING SOLAR FLARESAND CORONAL MASS EJECTIONS, ApJ, 760:31, 2012 November 20.

(magnetic free energy)

Weak shear

Shear angle of large component

Strong shear

twist angle in force-free magnetic field (θ0)

Numerical Simulation of Flare Trigger Process

small
Azimuthal angle of small field

Right Pol (RP) Normal Shear (NS) Opposite Pol (OP) Rev Shear (RS) Right Pol (RP)Results of Ensemble Simulation
largerfreeenergy

big flares

noeruption

noeruption

eruption

weak shear

Right Polarity

Opposite Polarity

Normal Shear

Reversed Shear

magnetic shear angle

strong shear

potential field

Kusano et al. 2012

KineticEnergy

MHD simulation result
Θ0= °.5 ϕ e=180°

36

What is the Critical State?
MHD Simulations for different trigger flux

heruptive

time

trigger flux is
injectedstabletime

small trigger flux

37

Double-Arc Instability
Trigger Reconnection
overlying flux

sheared loops

Current-CarryingDouble-Arc Instability

Double-Arc

overlying flux

Double-arc

twist flux

twist flux
reconnectedflux

electric current (J )Ishiguro and Kusano 2017 ApJ

critical state

flare reconnection

hintegration in the reconnected flux
(within double-arc loop)

magnetic twist(non-potentiality)

twist flux

joint height (h)The critical conditionof double-arc instability 𝜅𝜅 =magnetic flux
𝐵𝐵𝑧𝑧 𝑑𝑑𝑑𝑑 near PIL(cf. R-parameter)∫𝑟𝑟 𝑇𝑇𝑤𝑤 𝑑𝑑𝜙𝜙

overlying magnetic flux
(cf. decay index)𝑐𝑐ф𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜> 0.1~38

Prediction scheme (κ-scheme)
Magnetic Twist onMagnetic field Line

12mincadence

SDO

vector magnetic field

MHD relaxation method (Inoue et al. 2016)

HinodeHigh Free Energy Region (HiFER)(|Bt-Bp|>1000G)
overlying fieldrcPIL
Flare is mostlikely to occur.

1� 𝛼𝛼 𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑇𝑇𝑤𝑤 =4𝜋𝜋
𝛻𝛻 × 𝑩𝑩 = 𝛼𝛼𝑩𝑩

NLFFF

The critical size of triggerreconnection

𝑟𝑟𝑐𝑐

Integration over the trigger
reconnection region𝜅𝜅𝑟𝑟 =The minimum free-energy which
can be released by the DAI.

∫𝑟𝑟 𝑇𝑇𝑤𝑤 𝑑𝑑𝜙𝜙𝑐𝑐

ф𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜= 0.1

𝑆𝑆 1/22
� 𝑩𝑩 − 𝑩𝑩𝑝𝑝 𝑑𝑑𝑑𝑑
𝐸𝐸𝑟𝑟 =8𝜋𝜋 𝑆𝑆39

X-class Flares on Sep. 6, 2017
X2.2
8:57UTX9.3
11:53UT
largest flare incycle 24

AR 12673

40

5:36 UT on Sep. 4 (two days prior to the flare)
Typical energy
for the X-class1032erg

morestableestimated total freeenergy stored in HiFER

rc(Mm)
lessstablesmaller flare

Er (erg)bigger flare41

11:48 UT on Sep. 6 (12 min prior to the X9.3 flare）
Typical energy
for the X-class1032erg

morestableestimated total freeenergy stored in HiFER

rc(Mm)

The critical size ofreconnection and thereleasable energy at apoint on PIL

lessstable

A large flare is predicted.

smaller flare

Er (erg)bigger flare42

11:48 UT (12 min prior to the X9.3 flare）

prediction

Magnetic field on the solar surface
observed by SDO/HMI.

Bz (gauss)

43

Ribbons of the X9.3 flareprediction

SDO/AIA 1600Å

flare ribbons

44

Statistical Analysis for 198 Largest ARs in S/C 24
Group 1 (Non-flaring ARs)

Group 2 (Flaring ARs)large flare predicted

Forecast>X2Observation
positive

Observation
negative

positive

7 TP0 FP

negative

2 FN

198 TN1precisionEr∝rc3

・The seven active regions that produced allflares of class X2 or larger within solar latitudes±50°during solar cycle 24.

Critical Radius

Critical Radius

・198 largest sunspot regions in solar cycle 24
・No large flare > X2 occurred for 20 h after the observation
・Data when the region was on the central meridian.

Kusano et al., 2020, A physicsbased method that can predictimminent large solar flares.
ScienceReleasable Energy
exceptional
7 ARs produced flares larger than X2 in cycle 24.

Nishizuka+(2021)

00

Kusano+ (2020)

Crown (2012)

hit rate

145

What determines the onset?
|B-Bp|

Bz

AR12673

flare
ribbons

Sep 6, 2017

before X2.2 flare𝜏𝜏 = 𝑇𝑇𝑤𝑤 𝐵𝐵𝑧𝑧apredictedpoint𝜅𝜅 =aaPIL=|B-Bp|=1000G

3 hours

before X9.3 flare
X2.2

X9.3

predicted
point

b

flare
ribbonsbb

PIL

similar to current
sheet thinning

∫ϕ

rec

|𝐵𝐵𝐵𝐵|𝑑𝑑𝑑𝑑

𝑇𝑇𝑤𝑤𝑑𝑑𝜙𝜙

Φover𝜏𝜏𝑑𝑑𝑑𝑑
∫S
recΦover𝜏𝜏 = 𝑇𝑇𝑤𝑤 𝐵𝐵𝑧𝑧

magnetic twist
flux density|B-Bp|=1000G

non-potential field twist flux density46

Solar Flare and CMESolar flareCoronal Mass Ejection (CME)What determines the eruptivity of flares?
Yashiro et al. 2006 ApJ
C1M1

X1

X1048

What determines the eruptivity of flares?
pre-flareflare

flare onset

overlying

Potential field(J~0)

Jeruptive flare& CME

Twistedflux ropehigh-twist region

PIL

trigger reconnection

critical parameterfor flare-onset

double-arc instability
driver𝜅𝜅 =suppressor∫𝑟𝑟 𝑇𝑇𝑤𝑤 𝑑𝑑𝜙𝜙𝑐𝑐

ф𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜

main flare reconnection

torus instability

critical parameter
for CME-onset> 0.1

driver𝑟𝑟𝑚𝑚 =

suppressor

eruptiveconfined

Forecast

Observation
eruptive

Observation
confined

eruptive

27 TP

6 FP

confined

8 FN

10 TN

Φℎ𝑖𝑖𝑖𝑖ℎ−𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡

ф𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜

rm is moderately able

to distinguish ARs thathave the capability of
producing eruptive
flares and CME.

Lin, Kusano et al. 2020, ApJ, doi:10.3847/1538-4357/ab822c
Lin, Kusano, Leka 2021, ApJ, doi:10.3847/1538-4357/abf3c1
49

まとめ summary

太陽周期活動は太陽内部のダイナモによって駆動されていると考えられるが、未だに明確なメカニズムは未解明である。ISEEでは、スーパーコンピュータによるシミュレーションと観測の比較によって、解明する試みを進めている。
巨大太陽フレアは現代社会における潜在的な脅威であり、その予測は科学課題であると共に社会課題でもあるが、巨大フレアの正確な予測は未だにできていない。ISEEでは、太陽表面磁場の精密観測に基づく新たな予測スキームを開発し、高度な宇宙天気予報のための研究を進めている。
ISEEでは、太陽周期、太陽黒点、太陽フレア以外にも、CMEの発生と伝搬の予測、磁気嵐の予測など様々な太陽活動と宇宙天気擾乱の予測研究を進めています。

PSTEPオープン・テキストブック
無料でダウンロードできるよ！

太陽地球圏環境予測
0.はじめに
1.宇宙天気と社会のつながり
2.地球電磁気圏と宇宙天気予報
3.太陽嵐と宇宙天気予報
4.太陽周期活動の予測と気候影響
5.あとがき
6.用語解説7.執筆者・編集者紹介

Solar-Terrestrial Environmental Prediction（Springer） [電子書籍版]
 17,016円（税込）太陽宇宙環境物理学(SST)研究室
太陽・地球・惑星から成る広大なシステムで起こる多様な現象をスーパーコンピュータを駆使したコンピュータシミュレーション
人工衛星・地上観測データの総合解析の融合によって、総合的に探ることができる世界的にも例の無い総合的研究室。
• 最先端科学研究としての太陽宇宙環境物理学• 人間の生存環境を守るための太陽宇宙環境物理学（宇宙天気・宇宙気候予測研究）富岳

教授：草野、三好、堀田
准教授：増田、梅田
助教：家田
特任教授：Leka, Kistler
特任准教授：堀、中村
特任助教：10名
研究員：6名技術職員：3名
研究支援：2名
大学院生：D3名、M15名
学部4年生: 7名

SST研（総合解析研究部）の研究テーマ
太陽地球結合システム
磁気圏境界乱流
極域磁場

衝撃波
コロナ加熱

差分回転

磁気嵐

コロナ質量放出(CME)

ダイナモ
核融合

オーロラ

プロミネンス

黒点

サブストーム
環電流

放射線帯

太陽風

気候変動

フレア

対流

電離層擾乱
高エネルギー粒子の加速と伝搬
彩層

子午面
循環

沿磁力線電流結合系
太陽輻射変動

磁気リコネクション

コロナホール
プラズマ宇宙物理学

比較惑星科学

銀河宇宙線

太陽内部→彩層→コロナ→太陽風→磁気圏→電離圏→大気→地表
2023/4/22研究テーマ
太陽ダイナモ機構、黒点形成、太陽対流層
 太陽フレアの発生機構と予測
 太陽フレアにおける高エネルギー粒子加速 太陽コロナ加熱機構
 太陽風の形成と加速
 コロナ質量放出の形成と伝搬 爆発的なオーロラ発生の機構
 放射線帯の変動機構
 多様なプラズマ・シミュレーション研究

宇宙天気・宇宙気候の理解と予測
2023/4/22

学生生活の様子

世界各国との共同研究に参加し、修士課程の段階から国内外の学会等に参加・成果発表をしています。スポーツも盛ん。フットサル優勝！

分野横断研究と広範なネットワーク
国立天文台

JAXA 宇宙航空研究開発機構

NiCT情報通信研究機構

名古屋大学宇宙地球環境研究所

国内研究機関京都大学
附属天文台

海外研究機関JAMSTEC 海洋研究開発機構

核融合科学研究所
58

卒業後の進路
修士課程卒業生：•••••

宇宙航空研究開発機構（JAXA）
キャノン電子株式会社
三菱スペース・ソフトウエア
川崎汽船
IT企業各社

博士課程卒業生：• 宇宙航空研究開発機構（JAXA）プロジェクト研究員• プリファードネットワークス• 日立製作所• カリフォルニア大学バークレー校宇宙科学研究所研究員• オーストリア科学アカデミー宇宙科学研究所研究員• フランス国立科学研究センター(CNRS) LATMOSポスドク研究員• 韓国チュンナム大学ポスドク研究員• インドネシア国立航空宇宙研究所（LAPAN)

総合解析研究部の特徴


学際分野をカバーする豊富な教授陣


最先端の研究に直結

最新の衛星観測データ、世界最高速のスーパーコンピュータを使った研究の実践

国際的な活躍

太陽物理学、地球電磁気学、プラズマ物理学、惑星科学、宇宙物理学、シミュレーション科学の広い分野から自由にテーマを選べる。

修士学生から国際会議参加、国際共同研究を実施

多様な進路


様々な研究機関、企業への進路が可能
2023/4/22