理系大学生のための太陽研究最前線体験ツアー
2012年8月27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

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
1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。

2

宇宙気候・宇宙天気の研究課題


太陽活動と気候変動の関係の理解と予測
太陽黒点活動の理解と予測 太陽黒点と気候変動の関係の解明


太陽フレアと宇宙天気の予測
太陽フレアの機構解明と予測 太陽フレアの影響の予測

フレアＸ線放射、コロナ質量放出と衝撃波、高エネルギー粒子

地球磁気圏、地球磁気圏への影響の理解と予測

SST研の研究課題

ガリレオが描いた黒点スケッチ

１６１３年６月～７月

3

量子効果の助け ゼーマン効果光 hn
磁場なし 磁場あり
ピーター・ゼーマン ヘンドリック・ローレンツ

1902年ノーベル物理学賞

電子の軌道

太陽は磁場の星4過去30年の太陽磁場活動

太陽磁場の反転法則

5太陽磁場の構造と変化

西暦
第21周期

第22周期

第23周期

太陽磁場のバタフライ図

太陽黒点周期と磁場反転
B<0B>0B<0B>0B>0B<0B<0B>06

太陽ダイナモのモデル

磁束輸送ダイナモモデル（仮説）7太陽活動の予測モデル


２つのほぼ同じ磁束輸送モデルは、過去の活動を共に再現するが、サイクル24（未来）の予測値は極端に異なる。

Dikpati et al. (2006)

Choudhuri et al. (2007)

太陽極域磁場と黒点

Prof. Choudhuri提供

8太陽周期と黒点活動の関係

Figure 27: The Amplitude–Period Effect. The period of a cycle (from minimum tominimum) plotted versus following cycle amplitude for International Sunspot
Number data from cycles 1 to 22. This gives an inverse relationship between
amplitude and period shown by the solid with Amplitude(n+1) = 380 –2 × Period(n).

太陽黒点月平均数（観測値）

9太陽周期２４の異常

次期太陽極大は100～200年ぶりの低活動となるとの予測。
太陽活動の観測と監視が重要
太陽変動機構の解明
宇宙・地球環境に対する影響

Leif Svalgaard's Research Page
http://www.leif.org/research/Active%20Region%20Count.png

10Predicting Cycle 24

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



Climatology and Recent Climatology
Spectral and Neural NetworkPrecursor
Physics Based

小氷期はまた来るのか？

2012年4月20日中日新聞

2010年3月19日朝日新聞

11

太陽定数


1km2

1366x(103)2~1.4x109=140万kw

地球軌道上で単位面積（１m2）に単位時間（1秒）あたり入射する太陽の放射エネルギー量でＩ＝約1366W/m2
太陽が毎秒放出するエネルギー（太陽の全出力）

P=太陽定数Ｘ面積＝4pR2 I=4X1026 W
太陽

地球

R= 太陽と地球の距離=１天文単位 (AU)
=1億5千万km

全人類1年間の消費エネルギー  4 1020 J

太陽は1秒で人類1年分のエネルギーの100万倍を生産（未来文明のエネルギー源！ダイソン球殻）

太陽放射と地球の温度


地球表面温度

温室効果

全太陽放射

アルベド(約0.3)

TS4  G  ITS (1  A) / 4

ステファン・ボルツマンの法則

I TS pR 2
4pR 2
I TS
4IPCC200712地球気候に対する太陽影響
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

銀河宇宙線
太陽変調

循環
オゾン雲

13

大気から宇宙へ
800km

磁気圏
2000℃～

熱圏
オーロラ
80km

流星

1000℃

電離層

-100℃

中間圏
50km

-15~0℃
成層圏

10km

オゾン層

元場哲郎（名大）

-70℃

対流圏

太陽フレアによる成層圏オゾン減少
Protonflux

Seppälä et al 2007 JGR

NO2SOHO/LASCO

太陽フレア
高層大気のイオン化
Noxの形成と降下

オゾン

成層圏オゾンの破壊
表層大気への影響

2003年

2004年

14

太陽活動による気候変動の可能性
Dickinson (1975)
地球大気

温暖化
雲
寒冷化

雲核？

凝結核 雲凝結核

電離？
雲水滴

太陽圏

銀河系

太陽風

宇宙線

太陽黒点

銀河宇宙線

低層雲量

分子
クラスター

イオン誘起核生成 Svensmark 2008

西暦

Svensmark, Friis-Christensen 1997
Marsch, Svensmark 2000

黒点活動に伴う放射と宇宙線変動
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

白斑と黒点の違い全てが黒点活動と同期して変動するので、何が重要な気候影響であるかを見極める研究が必要。
3115

太陽フレア

黒点磁場のエネルギー～1025~26J
最大水爆 数10~100万個分

16コロナ質量放出（ＣＭＥ）＊太陽風の爆発的放出問題

太陽黒点の磁場の強さは約何ヒント
ガウスでしょう？
地球の磁場 約０．５ガウス
ピップエレキバン
１．0.1ガウス
約１０００ガウス
答
リニヤーモーターカー超伝導
え ２．１０００ガウス
磁石
１万ガウス
３．１０００万ガウス 世界最強パルス磁場装置
数１００万ガウス

17磁場の強度とエネルギー
地磁気
10-1

太陽磁場

100

102 太陽 104 世界最強 106
108
超電導マグネット
黒点
世界最強
ネオジム磁石Gauss

パルス磁場装置1 2 3E
B L
4p
黒点磁場のエネルギー～1025~26J
最大水爆 数10~100万個分

突発現象としての太陽フレア

光球面

彩層

ひので可視光
望遠鏡の観測18

Xクラスフレアの発生予測のスコア


Skill Score (SS)= (nff+nqq-nq)/nf for X-flare

1day
0.112
0.242
0.052
0.200
-0.037-0.061

2day-0.1470.147-0.001
0.093-0.050-0.034

3day-0.171
0.127-0.0440.076-0.033-0.006

year (events)
2006 (4)2005 (13)2004 (9)2003 (17)2002 (12)2001 (18)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

19

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

蓄積解放過程自由エネルギー DE
自由エネルギーの蓄積容量

stableunstable20

太陽面爆発のメカニズム
コロナ数100km/sec

電流

太陽表面

V~0.1km/sec
対流層における磁束再生成（ダイナモ）とコロナへの上昇

シア磁場

太陽表面運動によるコロナ磁場へのエネルギー注入

sigmoid

磁気リコネクションによる磁気エネルギーの解放

post-flare loop

黒点の大きさとフレアの規模大きな
フレア

Welsch et al.
2009 ApJ

フレアの規模

小さな
フレア
フレア無し

小さな
黒点

黒点の磁束量大きな
黒点21

蓄積解放過程とトリガ過程

自由エネルギー DE
自由エネルギーの蓄積容量

Triggerfinite amplitude perturbation
Nonlinear instability

磁束の変動によるフレアのトリガ
Wallace, Harra et al. 2010 Sol. Phys.
Magnetic field

Soft X-ray

flare

22

フレア爆発の計算機シミュレーション

23

X3.4 flare on Dec. 13, 2006
Hinode/SOTCa H II

strong shear inlarge magnetic structure

02:18UT

small magnetic structure ofopposite polarity
02:22UT

02:26UTb a Simulation (OP-type)

X3.4 flare on Dec. 13, 2006
ab
F’

Hinode/SOTCa H II

F

FF’

02:18UTb

F’

bcc

F

aa

02:22UT

F
F’

F’
GF

F

G’
02:26UT

F’

G24

シミュレーションと観測の比較
太陽観測衛星スーパーコンピュータ

地球シミュレータ

太陽黒点と太陽磁場

太陽面爆発の再現と予測
2006年12月13日に発生した太陽フレアとフレア領域
における太陽表面磁場

中日新聞2010年3月16日
朝日新聞2010年3月16日

25

宇宙嵐の再現 太陽から地球へ
コロナ質量放出シミュレーション（塩田大幸）
惑星間空間コロナ質量放出シミュレーション（片岡龍峰）

26