コンピュータで探る太陽と地球環境ー名古屋大学での太陽研究の紹介ー
名古屋大学太陽地球環境研究所
総合解析部門（SSt研）

草野完也(kusano@nagoya-u.jp)

1

自己紹介

Who I am

草野完也（Kanya Kusano)
 経歴




北大物理、広大物性・物理科学・先端物質科学
海洋研究開発機構/JAMSTEC
 地球シミュレータセンター、地球内部ダイナミクス領域

名古屋大学太陽地球環境研究所（2009.7-)

専門
太陽・宇宙・核融合プラズマ物理学 (plasma physics)
 非線形電磁流体力学、ダイナモ理論 (MHD, dynamo) シミュレーション科学 (simulation sciences)
 宇宙天気・宇宙気候 (space weather, space climate) 雲物理 (cloud physics)




所属学会


日本天文学会、日本物理学会、地球電磁気・地球惑星圏学会、プラズマ・核融合学会、JpGU, AGU, AAS, APS, IAU

2009/11/21

太陽地球システムの総合的研究
太陽対流層、太陽コロナ、太陽圏、惑星磁気圏、電離層
太陽圏
惑星磁気圏
太陽衛星磁気圏

惑星間空間
星間空間

2009/11/21

なぜ太陽は面白いか？


非線形・天体・プラズマ現象の宝庫
電磁流体→銀河、宇宙円盤、星形成
 ダイナモ→地球磁場、惑星 乱流→大気・海洋、工学流体 衝撃波・粒子加速→超新星爆発
 プラズマ加熱→核融合プラズマ

太陽地球システム現象の源

フレア爆発、太陽嵐と宇宙嵐

地球環境・人間活動への影響


太陽黒点と気候変動（宇宙気候）
4

2009/11/21

2009/11/21

名古屋大学太陽地球環境研究所
Solar-Terrestrial Environment Laboratory（ＳＴＥＬ，ＳＴＥ研、太陽研）

2009/11/21

太陽地球惑星システム

総合的な太陽研究
太陽の内部の研究
太陽風（惑星間空間）の研究

太陽表面とコロナの研究
地球に対する太陽影響の研究
8

ＳＴＥ研でできる太陽研究

歴史的課題への挑戦
太陽黒点の謎太陽フレアの謎

太陽コロナの謎

太陽黒点はなぜ生まれる？
11年周期とは何か？

太陽系最大の爆発「太陽フレア」の発生メカニズム？

太陽コロナはなぜ太陽よりはるかに高温か？

太陽・太陽圏・地球圏を一体のシステムとした総合研究
宇宙天気研究宇宙気候研究太陽面爆発現象の発生予測
太陽面爆発現象の影響予測

太陽の気候影響の機構解明
太陽黒点活動の予測
9新世代の太陽研究
最新の観測研究と大規模シミュレーションの融合

地球シミュレータ

太陽と地球のコンピュータ
シミュレーションモデル
太陽フレア発生、太陽黒点活動、コロナの加熱と太陽風の加速、太陽の地球環境影響１．太陽表面とコロナの研究

太陽フレア

11

太陽フレアとコロナ質量放出（ＣＭＥ)

太陽フレア

コロナ質量放出(CME)太陽嵐と地球

太陽フレア
太陽コロナ磁場のエネルギーが突発的に熱と運動に変換される爆発現象。(~1025J)
 黒点群の中で発生する。
 1959年にキャリントンが発見。


コロナ質量放出(ＣＭＥ)
大規模なコロナプラズマの放出現象
 質量：10億トン、速度：100~2000 km/sec


地球磁気圏・電離圏への影響磁気嵐、太陽高エネルギー粒子、
オーロラ

14

太陽面爆発と宇宙天気

NICT「宇宙天気予報の研究」より

2009/11/21

磁気嵐による停電

フレアによる衛星障害

1989/03/13 カナダのケベックで送電施設の障害による停電（9時間600万人に影響）
読売新聞2001年9月26日朝刊

17太陽フレアの基本過程
磁気エネルギーの解放
reconnection

flare loop
太陽表面
磁気エネルギーの蓄積

太陽コロナ磁場の単純モデル

しかし、蓄積から解放への遷移過程は未解明

データ駆動型シミュレーション
3次元磁場モデル
電磁流体力学シミュレーション
フレア発生機構の理解と予測
太陽表面磁場

太陽観測衛星20

図１：2006年12月に発生した太陽フレアと黒点の衛星観測データ（右）及びこのデータを用いた実証モデルで初めて得られた磁力線の3次元構造(左)。

21磁気シアと自由エネルギー
シグモイド

シア磁場

BB  0m.helicity <0

ポテンシャル磁場

B  0シア磁場

BB  0m.helicity >0
蓄積世界初の太陽嵐シミュレーション
最新の観測研究と大規模シミュレーションの融合

太陽フレア・ＣＭＥ再現実験
高エネルギー粒子の加速

太陽圏コロナ質量放出シミュレーション

地球磁気圏シミュレーション

フレア研究の課題


トリガ機構の解明
ミクロスケールとマクロスケールの関係の理解

いつ、どこで、どのようなフレアが発生するか？
プラズマ物理学との連携

天体フレアの理解

様々な天体の爆発現象との関係の理解

lD reriｄe10-3100

ｄiupsizing
downsizing
lmfp

103

MHD

flare R
loading energy

106

CME
1AU

109m

２．太陽の内部の研究

天体の磁場の生成機構（ダイナモ）
対流層25

太陽と地球の内部
Sun

Earth

Convective Zone

MantleRadiative Zone

Outer CoreCore

Inner
Core26

天体内部の3次元対流シミュレーション
Ωgrt

θrrb

φ

HOTCOOL
2009/11/21

2009/11/21

太陽活動は回復するか？

パリティ 2010 1月号「太陽活動は回復するか？」
草野完也

2009/11/21

State of the Art: Predicting Cycle 24
What the Sun seems to be doing

黒点の予測はほとんどできていない。次世代（君ら）の課題だ！

30

３．太陽風（惑星間空間）の研究
ＵＨＦ電波望遠鏡（富士観測所）

太陽風シンチレーション観測• コロナの加熱・加速メカニズムの解明• 宇宙天気予報モデル

太陽風の電磁流体力学モデル
太陽地球31

2009年7月22日皆既日食の予測

独立行政法人海洋研究開発機構（JAMSTEC）階層システム研究チーム（研究代表者：草野完也）の塩田大幸ポストドクトラル研究員らが作成した2009年7月22日皆既日食予測画像。研究協力：科学研究費補助金（学術創成研究費）「宇宙天気の基礎研究（代表：柴田一成）」、大野暢亮（JAMSTEC）
参考資料：http://www.jamstec.go.jp/ifree/space_earth/jswm/ja/2009/06/total-solar-eclipse.html

４．地球に対する太陽影響の研究


歴史的論争
William Herschel (1732-1822)太陽黒点とロンドンの穀物市場との関係に関する研究(1801)

小氷期（little ice age)

Moberg et al.(2005)：マウンダー極小期に対応した時代に20世紀後期に比べて0.7度程度寒冷化してい William Herschel
1738-1822た可能性がある。
小氷期
little ice age

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Sunspot_Numbers.png“Sports on a Frozen River”
by Aert van der Neer
Courtesy: The Metropolitan Museum of Art

太陽黒点と宇宙線量の変化
宇宙線

宇宙線大
太陽活動小n + 14N → 14C + 1H
窒素

炭素同位体
宇宙線小太陽活動大

縄文杉

宇宙線

黒点極小

太陽風

黒点極大

太陽圏
磁場34

Kirkby 2007

太陽活動と気候変動
中性温暖期

小氷期

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

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

熱帯アンデス氷河
Polissar et al. 2006

西暦 1000

1200

1400

1600

18002000地球に対する太陽影響の研究
太陽ダイナモ

黒点・磁場活動放射強度（TSI)
放射スペクトル（SSI)

太陽風
太陽面爆発
太陽圏磁場 （フレア・CME)
高エネルギー粒子

銀河宇宙線
太陽変調
2009/11/21

循環
オゾン雲

イオン誘起核生成仮説
大気

温暖化
雲核

雲

電離

太陽圏

銀河系

太陽風

宇宙線

太陽黒点

寒冷化
凝結核

Dickinson (1975)

雲凝結核

雲水滴分子
クラスター

ＳＴＥ研での雲核生成実験

世界初の雲の粒子シミュレーション

2009/11/21

2009/11/21

2009/11/21

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

名古屋大学大学院理学研究科

国内研究機関海外研究機関名古屋大学太陽地球環境研究所

京都大学
附属天文台

JAMSTEC 海洋研究開発機構

核融合科学研究所41

太陽地球環境研究所の大学院
名古屋大学理学研究科素粒子宇宙物理学専
攻（宇宙地球物理系）ＳＳｔ研究室
 受験案内： http://www.stelab.nagoyau.ac.jp/ste-www1/doc/about_edu_j.html
太陽地球系物理学講座
理学研究科
素粒子宇宙物理学専攻（宇宙地球物理系）



太陽圏プラズマ物理学（ＳＷ）
太陽圏高エネルギー物理学（ＣＲ）

太陽地球系化学講座

太陽圏環境変動（ＡＭ１、２）太陽地球相関理学講座

太陽地球相関理学（ＳＳｅ，ＳＳｔ）

学部卒業研究については直接ご相談ください42

名古屋大学大学院理学研究科大学院学生募集(第２次学生募集)
大学院理学研究科 博士課程(前期課程)
 素粒子宇宙物理学専攻(素粒子宇宙物理系ならびに宇宙地球物理系)
 博士課程(前期課程) の学生の第２次募集を下記の通り行います。
 願書受付期間：



平成22年1月 8日(金) ～ 平成22年1月14日(木)(ただし、土・日は除く)

試験期日：


平成22年1月23日(土)募集人員：10名程度
 試験科目：口述試験（詳細は募集要項参照）
 募集を行う研究室


素粒子宇宙物理系：[E,H,Q], CG, P, AT, Ta, ΣT, F, N, AE, UIR,UX, Ω 宇宙地球物理系：AM, SSe, SSt, CR, SW
43