日本天文学会、山形大学、13	  Sep.	  2014	

Solar-­‐C	  による太陽の高精度観測で迫る	  地球気候変動の謎	

高橋幸弘	  北海道大学・大学院理学院・宇宙理学専攻	

UV, X, γ, visible, infrared…
Radio wave
Particles (solar wind)
Galactic Cosmic-Ray
Magneticfield 	CAWSES-­‐II	  HP	... need to overcome the disconnection
between (scientists’) layers…	
Solar	  physicist	

Thermosphere	
85-­‐90	  km	Mesosphere	
40-­‐50	  km	

Plasma	  phys.	
MTI & Space physicist	

Wave	  dynamics	

Stratosphere	
10-­‐15	  km	Troposphere	

Chemistry	Oceanographer	

Thermal	  	  dynamics	  Fluid	  phys.	

Seismologist	

Elas.c	  phys.	

Meteorologist	太陽と地球気候には、関係がありそう。	  
でも偶然かもしれない。	  
IPCCで決着したわけではない。ただし、懐疑論の多くはさらに懐疑的。	  宇宙線と雲量に相関？ 1993年論文で議論再燃	
Svensmark	  and	  Friis-­‐Christensen	
雲量	

銀河宇宙線	

相関係数0.92。１年の移動平均では0.93。	

Solar	  irradiance	  表面温度	

Lean	  et	  al.,	  1995	  - 1610年から現在までのTSIとUVの１年値を、北半球地表温度と比較。	
- 1610-1800は相関が0.86。	
- 1860年以降の0.55℃の温暖化についてはその半分、	1970年以降は1/3が太陽による影響と推定。	

Reid,	  1999	  黒点数	
SST	  大西洋	

SST	  太平洋	

SST	  全球	

SST	  インド洋	

1860	  1980	  1860	  1980	  -1860年以降の、黒点数の11年移動平均と、SST（sea surface temp.）の長期間平均からの変位。	
- ３大洋の全てが黒点数とほぼ同じ形の変化を示し、しかもどれも20世紀初めと1970年代に極小を持つ。	 

流量	irradiance	  Perry,	  1994&1995	  quoted	  by	  	  Tsiropoula,	  2003	  - 米国のhydroclimatic変動量（降水、河川の流量など）と太陽放射変動に4-5年のタイムラグ。	
- 太陽エネルギーは赤道海域で吸収、温度anomaliを作る→ 海流によって移動 → 移動先地域の湿度・気圧パターンを変える→ そこの降水や温度、hidroclimatologyを変える	

雷観測から迫ってみる。。。	

Ligh.ng	  and	  solar	  climate	Power	  Spectrum	  28	  days	  Period	  Sato	  et	  al.,	  GRL,	  2005	  Takahashi	  et	  al.,	  ACP,	  2010	  Power	  of	  25-­‐30	  days	  periodicity	  in	  cloud	  (OLR)	  for	  25	  years	  	  WPWP:	  Western	  Paciﬁc	  Warm	  Pool	  Averaged	  spectra	  for	  all	  max.	  and	  min.	  periods	  Cloud	  (OLR)	  Min	  Max	  years:	  ~27	  and	  50-­‐60	  day	  Min	  years:	  ~35	  day	  Max	  Resonance	  between	  27	  and	  50-­‐60?	  
F10.7	  Madden	  Julian	  OscillaZon?	  	  AﬀecZng	  El	  Nino?	  
Max	  Min	  SynchronizaZon	  wit	  internal	  periodicity	  of	  global	  atmosphere?	  	

Takahashi	  et	  al.,	  ACP,	  2010	全球雷活動	

西太平洋の雲	Global	  lightning 	  	  	  OLR	  (cloud)	  in	  WPWP	  	  (half	  solar	  cycle)	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  (25	  years)	  ~28	  days	  Solar	  max	  Solar	  max	  Solar	  min	  Solar	  min	  period	  (day)	  by	  M.	  Sato	~35	  days	  period	  (day)	  	  by	  Takahashi	  et	  al.	

世界の雷分布を全球一様感度で表現した最初の地図	
Monthly	  varia.on	  observed	  by	  GEON	  (Global	  ELF	  Observa.on	  Network)	  	Nega.ve	  lightning	Posi.ve	  lightning	Yamashita,	  Dr.	  Thesis,	  2011	

太陽活動(F10.7)	  が雲に対し~5-­‐10日先行してるように見える	WPWP:	  Western	  Paciﬁc	  Warm	  Pool	  (1990)	  Takahashi	  et	  al.,	  ACP,	  2010	  high	  solar	  ac.vity	

less	  cloud	F10.7	

Jan	  1	Day	  of	  1990	

OLR	

F10.7	

OLR	Dec	  31	

熱帯積乱雲の全球同期	at	  “high	  solar	  ac.ve”	  phase	  for	  1-­‐month	  varia.on	  	  	  	  	  	  	  	  	  =	  high	  F10.7	  (UV),	  low	  galac.c	  cosmic	  rays	
high	  poten.al	  gradient	  (E)	  	  	  	  caused	  thunderstorms	
E	
Paciﬁc	Atlan.c	
America	Africa	Mari.me	  Cont.	  
(lightning)	

in-­‐phase	  correlaZon	  WPWP	

out-­‐of-­‐phase	  correlaZon	  (seesaw)	

Lightning	  in	  MC	OLR	Halloween	  event	America	Africa	MC	WPWP		  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  03.	  9	  	  	  	  03.	  11	  04.	  1	  	  	  	  04.	  3	  	  	  04.	  5	  	  	  	  04.	  7	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  Day	

1. 銀河宇宙線	  太陽風磁場 →	  銀河宇宙船(GCR)	  →大気分子の電離	  → 雲核→ 雲形成	  -­‐

霧箱からのアナロジー	  	  しかし、自然界での過飽和は僅か	  -­‐

比較的ヨーロッパが好き	  -­‐加速器による実験も	  -­‐

年輪研究の進展	  2.	  Total	  Solar	  Irradiance	  （TSI）	  -­‐	  衛星計測によって変動がモニターできるように	  -­‐	  振幅は0.1%のオーダー	  しかし太陽は殆ど可視光なので無視できない？	  3.	  NUV	  による成層圏加熱	  UV加熱 → 成層圏温度場 →	  成層圏風速場	  	  → 鉛直方向の循環 → 対流圏に影響	  -­‐	  UVの変動振幅は可視光よりもかなり大きい（~数%）	  -­‐	  成層圏は「力学的な仕事」をしなくても、鉛直方向	  の循環場を変えられる	  -­‐	  比較的米国が好き	  成層圏温度場の変調	
ハドレーセルなど	

赤道	中緯度	下部中間圏	
成層圏	

F10.7	

by	  Fontenla,	  2012	

熱圏	
中間圏	
成層圏	

成層圏加熱を検証するためには、200-­‐300	  nmの観測が必要	4.	  全地球電流系	  (Global	  Electric	  Circuit)	  太陽風による地球磁気圏、および電離圏での発電	  太陽宇宙線	  ...	  超高層大気の電気伝導度	  放射線帯粒子	  ...	  超高層大気の電気伝導度	  EUV/FUV,	  X,	  γ	  ...	  中層・超高層大気の電気伝導度	  銀河宇宙線	  ...	  下層大気の電気伝導度	  	  	  	  →	  全地球電流系の変調	  	  	  → イオン分布の変化／大気電場の変化	  	  	  	  →	  雲の生成および寿命の変化 	  晴天域の鉛直電場計測	

Images	  from:	  Carnegie	  Institute	  Reports,	  Carnegie	  Institute	  web	  site	  and	  Fleming	  J.A.,	  Terrestrial	  Magnetism	  and	  electricity	  ObservaZon	  by	  research	  vessel	  “Carnegie”	

but	  sZll	  there	  remain	  mysteries	  and	  even	  fundamental	  quesZons	Whipple	  and	  Scrase,	  1936	

globe	
雷鳴可聴面積	  (x	  10^4	  km^2)	

Asia	

Africa	  Europe	

America	

Carnegie	  curve	  was	  explained	  by	  thunderstorm	  acZvity.	

	  Global	  electric	  circuit	  Figure	  Global	  electric	  circuit	  model	  to	  adjust	  for	  TLEs	  currents.	

26	

solar	  wind	  generator	  	30-­‐150	  kV	

magn
etosp
here	
E/F	  regions	  solar	  Proton	  Event	

D	  region	  strato
spher
e	
tropo
spher
e	

solar	  	  X	  ray,	  EUV/FUV	gamma	  ray	galac.c	  cosmic	  ray	low-­‐level	  cloud	Interplanetary	  MagneZc	  Field	
thundercloud	  generator	
~300	  kV	lightning/TLEs	

ionospheric	  generator	

TLEs	  as	  connectors	  between	  upper	  and	  lower	  regions	  	  	ブルー
ジェット�

巨大
ジェット
giganticjets�

カラム型スプライトcolumny sprites	

キャロット型
スプライト
carrot sprites�全地球電流系は：	

100	  km	  50	  km	  - 雲粒の起源になるイオン分布を変える	
- 雲の寿命を変化させる	
Lower	  clouds	  150kV	  max	  in	  ionosphere	  ???	  
300kV	  Thunder-­‐cloud	  Tinsley	  et	  al.	  Solar	  wind	magn
etosp
here	
E/F	  regions	  D	  region	  stratosphere	troposphere	

Interplanetary	  MagneZc	  Field	
Galac.c	  Cosmic	  Ray	M-­‐I	  coupling	

thundercloud	Global	  Electric	  Circuit	low-­‐level	  cloud	Solar	  UV	atmospheric	  convecZon	

Total	  Solar	  Irradiance:	  TSI	Solar-­‐Climate	  Connec.on	太陽地球気候結合メカニズムの解明へ向けて	- 時間的・空間的スケール間結合の考慮	
- パズルのピースは揃っているのか？ 	
-太陽放射（TSI, UVなど）、太陽/銀河宇宙線、大気電場など	複数の要因について平行して検討を進め、それらを結合することも必要かも。	

地球気候研究から見た太陽観測への期待	  継続的なスペクトル観測	  ...	  EUV,	  FUV,	  NUV,	  TSI,	  X/γ	  	  特にNUV	  (200-­‐300	  nm)： 成層圏に直接作用	  	  電離圏電気伝導度 ...	  全球電流系への効果	  プラズマ密度,	  磁場,	  太陽宇宙線	  	  地磁気活動の予測 ...	  全球電流系の発電機	  	  惑星空間磁場の予測 ...	  銀河宇宙線（雲生成、下層大気電気伝導度）