2017.03.31 太陽研究最前線体験ツアー

太陽周期活動とその予測
飯島陽久 (総合解析、PSTEP)
共同研究者: 堀田英之、今田晋亮、
塩田大幸、草野完也

もくじ● 太陽周期活動● 太陽活動を予測するには● 表面磁束輸送モデル● 表面磁束輸送モデルを用いた次期太陽周期活動度の予測

太陽周期活動

T. J. Okamoto (NAOJ/JAXA)

磁場と黒点
表面磁場

可視光強度

強い磁場 => 熱対流の抑制 => 表面温度の低下 => 黒点

太陽表面の磁場構造

Hathaway (2015)

磁気バタフライダイアグラム
Br averaged over longitude for each solar rotation
Hathaway (2015)

蝶形図磁気バタフライダイアグラム
Br averaged over longitude for each solar rotation
Hathaway (2015)

1太陽サイクル ~ 11年
サイクル極大期 (極磁場ゼロ)

サイクル極小期 (極磁場最大)太陽活動の長期変動

黒点とフレア光球（可視光）

黒点数とフレア数の相関彩層（Ca II H）

Hathaway (2015)

T. J. Okamoto (NAOJ/JAXA)

黒点と地磁気
黒点数と地磁気活動度指数の時間変化

Hathaway (2015)

太陽周期活動● 太陽の黒点は11年周期で増減する。
● 黒点は強い磁場を持ち、フレアやCMEを引き起こし、地磁気の活動に影響を与える。

太陽活動を予測するには

黒点数の変化

Hathaway (2015)

今太陽活動周期（サイクル24）の予測研究
Pesnell (2016)

正解 in 2014
050

100

150200代表的な予測手法● 統計的外挿-

統計数理的なモデル、機械学習など。

● プレディクター
-黒点数、地磁気活動度指数など。

● 物理モデル-ダイナモモデルなど。

今太陽活動周期（サイクル24）の予測研究

極小期の地磁気活動度指数と次の周期の黒点数

極小期における地磁気活動度指数(aa指数)は、次の周期の最大黒点数と高い相関を持つ(Ohl, 1966)。

Hathaway (2015)

極磁場とトロイダル磁場
Toroidal: Bφ
Poloidal: Br and Bθ

太陽表面で観測される極磁場は、Ω効果で差動回転によりひねられるポロイダル磁場の現れであり、黒点を生み出すトロイダル磁場に直接的に関係している。
Babcock (1961)

極小期の地磁気活動度指数と極磁場
McComas et al. (2008)

上: 太陽風速度の分布
下: 磁気蝶形図

Hathaway (2015)

極小期の極磁場と次の周期の黒点数

Hathaway & Upton (2016)

太陽活動を予測するには● 太陽周期活動の予測はなかなか当たらない。
● 全員が信じているダイナモモデルはない。
● 極小期の極磁場（地磁気活動度指数、磁気ダイポールモーメント）と次の太陽周期の強度は、高い相関を持つ。

表面磁束輸送モデル

基礎方程式
表面上のBRの時間発展は、球面上の移流拡散方程式で表される。
Meridional flowDiﬀerential rotation@@@
2BR sin ✓ +(V✓ BR sin ✓) +(V BR )@t@✓@✓◆✓
◆
@@B@
⌘H @B
2=
⌘H sin ✓++ SR sin ✓@✓@✓@sin ✓ @Diﬀusion by the turbulent convection

Flux emergence

θ: colatitude
φ: longitude
R⦿: solar radius
Vs: s-velocity
ηH: turbulent diﬀusivity
S: flux emergence差動回転Jiang et al. (2014)

-++

子午面流

Jiang et al. (2014)

++

乱流拡散

Rempel (2011b)-++新しい表面磁束輸送コード
Spherical coordinates with Yin-Yang grid2nd-order MUSCL method with MC limiter2nd-order SSP Runge-Kutta method
MPI parallelized

Kageyama & Sato (2004)

太陽表面磁場観測に基づくデータ駆動計算
Observation

SFTSOHOWe can not observe
the opposite side.

Earth side:
Assimilate
SOHO/MDI
data

Opposite side:
Advection anddiﬀusion

Results

Magnetic butterfly diagram | SOHO/MDIMagnetic butterfly diagram | Simulation表面磁束輸送モデル● 表面磁束輸送モデルは、太陽表面上の磁束の2次元的な輸送を記述するモデル。

● 観測される磁場を直接挿入することで、観測できな

い極付近の磁場や太陽の裏側の磁場構造を得ることができる。

表面磁束輸送モデルを用いた
次期太陽周期活動度の予測

極小期の極磁場と次の周期の黒点数

Hathaway & Upton (2016)

基礎方程式
表面上のBRの時間発展は、球面上の移流拡散方程式で表される。
Meridional flowDiﬀerential rotation@@@
2BR sin ✓ +(V✓ BR sin ✓) +(V BR )
@t@✓
@✓◆✓
◆
@@B@
⌘H @B
2=
⌘H sin ✓++ SR sin ✓@✓@✓@sin ✓ @Diﬀusion by the turbulent convection

θ: colatitude
φ: longitude
R⦿: solar radius
Vs: s-velocity
ηH: turbulent diﬀusivity
S: flux emergence

Flux emergence

Rempel & Cheung (2014)

浮上磁場のパラメータ

磁束量-緯度

傾き角+ 極性SFTによるサイクル24/25 (2020年ごろ)の予測研究
右下: Cameron et al. (2016)

浮上磁場パラメータを観測的な経験則により予測。

左上: Upton & Hathaway (2014a)「似ている」過去のサイクルの浮上磁場パラメータを利用。

先行研究では、未来の浮上磁場パラメータを決定するために、何らかの経験的なモデル化を行っている。

本研究の目的● 表面磁束輸送モデル（SFT）により極小期の極磁場を予測し、極磁場と次期太陽活動度との高い相関から次期太陽活動度を推測する。

● 先行研究では、SFTを使って予測計算を行う場合、未来の黒点の浮上という不確定要素を仮定する必要があった。

● 本研究では、新たに浮上磁場を挿入しないSFTを実施することで、純粋な磁束の2次元輸送のみによる極磁場の予測能力を検証する。

「極磁場」の定義
ダイポールモーメント（今回採用）

DAxial (t) =ZBR (✓, , t) cos ✓d⌦4⇡

Wikipedia: 球面調和関数

極付近の平均磁場ある緯度より上の磁場の平均。

緯度のしきい値の決め方、南北情報の潰し方など研究により異なる。
今回は利用しない。

ダイポールモーメント | 観測C23極大期

C23/24極小期

サイクル23
1997年〜2009年

ダイポールモーメント | 観測C23極大期

C23/24極小期
太線: 観測値

細線: SFTによる予測

サイクル23
1997年〜2009年

ダイポールモーメント | 観測 + 浮上磁場なしSFTC23極大期

C23/24極小期
太線: 観測値

細線: SFTによる予測

サイクル前半サイクル前半 | 高〜中緯度に浮上磁場が出現++ +-+ -- -~ 3 years++- -赤道を横切る輸送: 無〜小ダイポールモーメント | 観測 + 浮上磁場なしSFTC23極大期

C23/24極小期
太線: 観測値

細線: SFTによる予測

サイクル中盤サイクル中盤 | 低緯度に浮上磁場が出現+-+~ 3 years- ++--+-

赤道を横切る輸送: 大ダイポールモーメント | 観測 + 浮上磁場なしSFTC23極大期

C23/24極小期
太線: 観測値

細線: SFTによる予測

サイクル終盤サイクル後半 | 傾き角が小さい-++++
赤道を横切る輸送: 小浮上磁場なしSFTによる極磁場予測
サイクル21

黒: WSO

サイクル22

太線: 観測値
細線: SFTによる予測

サイクル23

黒: WSO

停滞期

黒: WSO
赤: MDI

サイクル24?

黒: WSO
緑: HMI

極小期の3年前から予測できそう！

浮上磁場なしSFTによるサイクル25予測
浮上磁場なしSFTで極小期の3年前に評価したダイポールモーメントと22次期周期の最大黒点数。

232425相関値: 0.991
C25黒点数: 77.7±8.1

先行研究の予測結果との比較

Upton & Hathaway (2014a)

Cameron et al. (2016)

Hathaway & Upton (2016)

研究

予測時期

予測結果

UH14

2013年中盤

24 ≦ 25

C+16

2016年初頭24 ≦ 25HU16

2016年中盤

24 ≧ 25

本研究

2015-2016年

24 > 25表面磁束輸送モデルを用いた次期太陽周期活動度の予測● 表面磁束輸送モデル（SFT）により極小期の極磁場を予測し、極磁場と次期太陽活動度との高い相関から次期太陽活動度を推測する。

● 先行研究では、SFTを使って予測計算を行う場合、未来の黒点の浮上という不確定要素を仮定していた。

● 本研究により、黒点の浮上に関する任意性の高いモデル化をせずとも、極小期の2~4年前から極磁場を予測することができることがわかった。

● 次の太陽周期（サイクル25）の活動度は、サイクル24の60-80%程度と予想される。