理系大学生のための太陽研究最前線体験ツアー
2014年8月25日

宇宙天気と宇宙気候
太陽活動を予測する名古屋大学太陽地球環境研究所
名古屋大学理学研究科素粒子宇宙物理学専攻
太陽宇宙環境物理学（ＳＳＴ）研究室

草野完也

包括的な太陽圏システムの変動①宇宙天気研究②宇宙気候研究

短期的な宇宙環境変動
数分～数十日長期的な宇宙環境変動
数か月～数十億年

コロナ彩層光球太陽風
太陽圏太陽ダイナモ

2014/8/25

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、デリンジャー現象、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（黒点周期やその変動）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
太陽コロナ磁場4磁場の強度とエネルギー
地磁気
10-1

100

太陽磁場
102 太陽 104 世界最強 106
108
黒点 超電導マグネット世界最強
ネオジム磁石パルス磁場装置

2

B 3
L
E=2µ0
黒点磁場のエネルギー～1025~26J
最大水爆 数10~100万個分

5Gauss太陽フレア

太陽黒点の磁場のエネルギー
最大水爆100万個相当

太陽フレアに伴うＸ線、電波、電子流束

8太陽地球結合システム
太陽地球MHDシミュレーション(田中NICT)

太陽フレアから発生した衝撃波と巨大な高温ガス（プラズマ）が惑星間空間を伝播する。
9

太陽地球結合系10

11
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Po12太陽嵐の影響（宇宙天気擾乱）オーロラ

ケベック州大停電 (1989)

衛星故障 GPS障害・通信障害 被曝放射線医学総合研究所
保田浩志博士提供

14

キャリントン・フレア（1859年9月1日）


Richard C. Carrington

太陽フレアの発見

15

キャリントンイベント
オーロラ
Green & Boardsen
2006 AdSR

2014/8/25

過去400年の太陽フレア
McCracken et al. 2001

2014/8/25太陽型星の超巨大フレア
前原、柴山ら（京都大学）
Nature 2012

フレアからの日数

スーパーフレアの想像図

太陽フレア

西暦774/775年における宇宙線増加の痕跡
三宅ら（名古屋大学）
Nature 2012

巨大フレアによる被害と影響
巨大フレア

キャリントン・フレア

スーパー・フレア（1859年）（巨大フレアの100~1000倍）

４ｍSv

20ｍSv

400～4000mSv？

地磁気嵐

５４０ｎT
（全米でオーロラ）

１７６０ｎT
（赤道帯でオーロラ）

５０００～
１５０００ｎT？

社会への影響

ケベック州大停電
電波通信障害気象衛星故障衛星放送停止電信局の火事＞今起きたら
中高磁気緯度の大停電
多くの衛星の故障
地球規模の通信障害
GPS故障

地球規模の大停電
オゾン層破壊全衛星の故障地球規模の通信障害
全航空機飛行停止
船舶運航停止GPS停止
ＩＴインフラの破壊（1989年3月13日）

放射線（航空機内の推定値）（被害総額数100億円以上）（被害総額1兆～2兆ドル）

フレア爆発のトリガ問題
いつ、どこで、なぜ、どうやって発生するか？

光球面

彩層

Hinode/SOT

太陽フレアの特徴
黒点の近傍

カスプ状ループ

2本のリボン

飛び出すプラズマ

京都大学浅井博士提供

太陽フレアのメカニズムは？
磁気リコネクション(Re-connection)

正極
黒点

負極
黒点

磁気中性線
①

磁力線の カスプ状ループ プラズマの放出
つなぎ換え & ２つのリボン & リボンの伝播②③④

太陽面爆発のトリガとなる磁場構造は何か？

複雑すぎてデータを見ているだけでは何が重要な構造なのか分からない。人間は注目したいものしか注目しない。
それ故、シミュレーションを利用すべきParameters in Ensemble Simulation
Large field(free energy)

Small field(trigger)&azimuth: ϕeshear angle: θ0offset δflux ΦBox：Rectangle including PIL
Initial condition：LFFF161cases

3D MHD
256x1024x512 grids
output: 800 GB／run

Earth Simulator (JAMSTEC)

Parameter Space: θ0 vs. ϕestrong shear

weak shear

potential field

Right Polarity

Opposite Polarity

Normal Shear

Right Polarity

Reversed Shearシミュレーション結果
strong shear

flare

noflarenoflareweak shear

potential field

Right Polarity

Opposite Polarity

Normal Shear

Reversed Shear

Flare Phase DiagramOP
strong shear

RSflarenoflarenoflareweak shear

potential field

Right Polarity

Opposite Polarity

Normal Shear

Reversed Shear

反極性型（OP-type）

逆磁場型（RS-type）

観測的検証OPRS

2006-12-13 02:22 UT

RS

RSOP
Zirin and Wang 1993

OPKurokawa, Wang & Ishii 2002

Green, Kliem & Wallace 2011

News: Solar Flares are Predictable!
朝日新聞 2012年11月3日

Carrington-class event

2012, July 23 （2000km/sec）

幸いにも太陽の裏側で発生したため、地球に影響しなかった。
2014/8/25

太陽嵐の予測と宇宙天気予報
衛星計画との積極的な連携研究
ひので、Solar-C 京大・NAOJ・茨城大
精密磁場観測東北大・NICT

名大IPSシステム

電波観測

太陽風の3次元構造観測

Ｈαドップラー測定

フィラメント
放出速度測定信州大ミューオン計測

Kusano et al. 2012

宇宙線前兆現象の測定

Kataoka et al. 2009

フレア予測計算

衝撃波伝搬測定

惑星間空間モデルSUSANOO: 実証型宇宙天気統合システム

Space weather Unified System Anchored by Numerical Operations and Observations

・太陽風シミュレーションと放射線帯シミュレーションのコードカップリングシミュ
レーション。経験モデルによるオーロラ予報も実装。
・2週間先までの太陽風と放射線変動の予測計算が可能（世界初）。
・データ同化を含めた、コードの改良を実施中。
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黒点周期活動の謎
マウンダー
極小期

過去400年の黒点数
ダルトン
現代極大期
極小期

「凍るテイムズ川 (1677)」

http://en.wikipedia.org/wiki/File:The_
Frozen_Thames_1677.jpg

小氷期

Usoskin (2008)

西暦
過去１万年の太陽活動

特異な太陽活動の兆候
現在極大期にあるサイクル２４は１００年ぶりの低活動
 太陽風密度、動圧、磁場も過去20年間継続的に減少
→太陽圏全体の収縮、銀河宇宙線の増加
小氷期

太陽黒点数の変化

マウンダー
極小期

太陽活動の今後の変化は科学的にも社会的にも重要な課題
24

サイクル23サイクル24太陽風動圧の変化
2000年以降の黒点数変化

過去30年の太陽磁場活動37太陽黒点の形成

38

太陽黒点は太陽内部で生成された磁束管が表面に上昇してできる。

太陽磁場の反転法則

39

太陽ダイナモ• 太陽内部のプラズマの運動が磁場を再生成する。

40

太陽磁場の構造と変化

第21周期
2010/4/8

西暦
第22周期
太陽磁場のバタフライ図

第23周期

太陽黒点周期と磁場反転
B<0B>0B<0B>0B>0B<0B<0B>042

太陽ダイナモのモデル

磁束輸送ダイナモモデル（仮説）Predicting Cycle 24

The Third Official Prediction Panel
D.A. Biesecker （NOAA/NWS/SWPC）



Climatology and Recent Climatology
Spectral and Neural Network
Precursor
Physics Based太陽極域磁場と黒点
極域磁場黒点

Prof. Choudhuri提供

Kirkby 2007

太陽活動と気候変動
中世温暖期

小氷期

北半球平均気温Mann et al. 1998, 1999
Moberg et al. 2005
Pollack & Smerdon 2004
Dahl-Jensen et al. 1998

黒点多宇宙線生成核種
Δ14C（太陽活動指標）
Stuiver and Quay 1980
Klein et al. 1980
Raisbeck et al. 1990
Usoskin et al. 2002

黒点少熱帯アンデス氷河
Polissar et al. 2006

西暦 1000 1200 1400 1600 1800 2000

数千年スケールの太陽と気候
Neff et al. (2001)

降水量減少

数十年から千年規模までの様々なスケールで強い相関

降水量減少

Δ14C:カリフォルニアの年輪解析

太陽黒点活動に伴う 宇宙線流束変動

δ18O:降水活動の指標
北オマーンの洞窟内石筍

2014/8/25

黒点活動に伴う様々な変化
太陽からの放射黒点

白斑

sunspot

黒点GCR
Usoskin 2008
銀河宇宙線白斑

黒点

白斑と黒点の違い
放射強度、磁場、宇宙線などはいずれも黒点活動と同期して変動する。
49

太陽の気候影響メカニズムは？
太陽ダイナモ

黒点・磁場活動太陽風
太陽圏磁場

放射強度（TSI)
放射スペクトル（SSI)
太陽面爆発（フレア・CME)
高エネルギー粒子
循環

銀河宇宙線 それぞれの過程がどのように
オゾン
太陽変調 地球気候に影響しているのかはまだ良く分かっていない。
雲
2014/8/25

予測することの重要性
未来を予測することの重要性
 科学的理解のための重要性

メカニズムの理解


予測

予測の方法


経験的予測法

周期性の発見、予兆現象の発見、相関現象の発見

第1原理的予測法


第1原理に基づく時間発展の結果として未来を予測する

予測と近代科学


ハレー彗星

Wikipediaより






エドモンド・ハレー（1656年10月29日 - 1742年1月14日）

1682年に出現した彗星の観測データとニュートン力学から、この彗星が76年の周期を持つ楕円軌道を持つと結論（プリンキピア出版は1687年）
過去の記録から、1531年、1607年に出現した彗星が同一のものと推測
次回の回帰が1758年であると予測。
1758年12月25日、予測通り彗星が出現。