理系大学生のための太陽研究最前線体験ツアー
2018年3月23日

宇宙天気と宇宙気候
太陽活動を予測する名古屋大学宇宙地球環境研究所
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

2018/4/12

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
太陽面爆発
太陽系最大級の爆発現象～1025J


太陽フレア
突発的で強力な電磁波放射（電波～γ線）
 高エネルギー粒子フィラメント噴出

フィラメント（プロミネンス）の突発的噴出

コロナ質量放出:CME

コロナプラズマの突発的放出
SDO衛星が観測したフィラメント噴出とフレアリボン

4

フレアに伴うＸ線、電波、電子流束

GOES衛星が観測したX線フラックス
X9.3フレア
X2.2

X1.3
M2.4

6

太陽フレアとCME

2017年9月6日に発生した今太陽サイクル最大の大型フレアとCME
Solar Flare

Coronal Mass Ejection (CME)The Sun

CME

EUV観測

7

Chromosphere 彩層
Solar corona 太陽コロナ

ＳＤＯ衛星が観測した
2011年8月2日の太陽

8太陽コロナ磁場9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

2B 3
E=L
2µ0
黒点磁場のエネルギー～1025~26J

GaussInterplanetary CME太陽磁力線

地球

2018/4/12

太陽風と地球磁気圏の相互作用
太陽磁場

地球磁気圏

太陽磁力線のつなぎ替え（磁気リコネクション）

地球太陽風

磁力線のつなぎ替え（磁気リコネクション）http://en.wikipedia.org/wiki/File:Polarlicht_2.jpg

地磁気誘導電流（GIC）

14

磁気嵐が原因で発生した1989年3月13日のカナダ・ケベッ
ク州の大停電（600万人が9時間停電の被害を受ける）

このときの太陽フレアは数年に1度の大フレア、磁気嵐の強さ～540 nT、被害総額は数100億円以上
http://www.stelab.nagoya-u.ac.jp/ste-www1/pub/ste-nl/Newsletter28.pdf

ニュージャージー州の変圧器故障
1516

太陽高エネルギー粒子（放射線）2018/4/12

SOHO/EIT

太陽面爆発に起因する社会影響
大フレア時に約100mSvの被曝可能性

宇宙放射線

2014年1月宇宙放射
線増加によりISSへの補給機打上延期

大フレア時に約4mSvの被曝可能性

3

測位・通信

デリンジャー現象によって数十分～数時間にわたり長距離短波通信が不通、航空無線等でも障害

2012年1月アメリカ
連邦航空局が極航路の変更を勧告

宇宙放射線による宇宙飛行士・航空機乗員の被曝 電離圏擾乱による測位・通信障害

電力

1989年3月の巨大磁気嵐によりケベック州で大停電が発生し、北アメリカ全体に影響が広がった。

衛星 X線天文衛星あすか：
2000年7月の巨大太陽フレアの影響で姿勢制御不能となり、大気圏に突入した。

ケッベク大停電の際に焼けたトランス

地磁気誘導電流による電力網障害と停電

衛星障害・軌道影響

衛星帯電

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

19

キャリントン・イベント
1859年（安政6年）
9月1~2日にオーロラが観測された場所


磁気嵐の推定値~1600nT(ケベック州イベントの約3倍）
Green & Boardsen 2006 AdSR

20

西暦774-775年における宇宙線増加の痕跡
宇宙線(Miyake et al. 2012)

窒素14C

炭素同位体（アイソトープ）

21

巨大太陽フレアを題材にしたSF小説

赤いオーロラの街で
伊藤 瑞彦
第5回（2017年）ハヤカワSF
コンテスト最終候補

最後にして最初のアイドル
草野原々
第48回星雲賞受賞（2017年日本短編作品部門）
第4回（2016年）ハヤカワSF
コンテスト特別賞受賞

太陽の盾
アーサー・C・クラーク
スティーヴン・バクスター

問題：2017年9月6日の巨大フレア爆発はどの黒点（活動領域）で発生したでしょう？
①②④③

2017年9月5日の太陽9月6日のX9.3フレアとCME

9月6日20：53（JST）にX9.3フレアが発生（11年ぶりの大爆発）

①

②
④③

黒点磁束とフレア
太陽フレアの大きさ
太陽黒点の磁場の量（磁束）画像提供 KD Leka氏

2018/4/12

Force-Free Field Model

Potential field−∇×Β = 0J = µ 0−1∇ × B

Polarity Inversion
Line (PIL)

corona20Mm

V+Force-free field ∇ × Β = αB−J×B = 0magnetic
shear angle+𝛽𝛽 ≪ 1𝛽𝛽 ≫ 1

V~0.1km/s
B~0.1T
L~20Mmτ~10h~100h
Poynting vector
S ~|E xB|/µ0Energy Injection
U ~SL2τ ~1025J

太陽フレアはいつ発生するか？

光球面

彩層
ひので可視光望遠鏡の観測

27

太陽フレアの発生機構①黒点（活動領域）の形成②磁力線の捻じれ（黒点の回転等による）③磁力線のつなぎ替え（リコネクション）④プラズマと磁場の噴出

フレアの発生

何がフレア発生のトリガとなるか？

28

太陽フレアの計算機シミュレーション
K. Kusano et al., MAGNETIC FIELD STRUCTURES TRIGGERING SOLAR FLARESAND CORONAL MASS EJECTIONS, ApJ, 760:31, 2012 November 20.

弱いねじれ

大きな磁場のねじれ角度

強いねじれ

磁気中性線

ねじれ無し

小さな磁場の方向
正極性 (RP)順シア (NS)

反極性 (OP)逆シア (RS)正極性 (RP)

太陽フレアの計算機シミュレーション
K. Kusano et al., MAGNETIC FIELD STRUCTURES TRIGGERING SOLAR FLARESAND CORONAL MASS EJECTIONS, ApJ, 760:31, 2012 November 20.

大フレア発生

弱いねじれ

大きな磁場のねじれ角度

強いねじれ

フレアが起きる

フレアが起きない

ねじれ無し

フレアが起きない

小さな磁場の方向
正極性 (RP)順シア (NS)

反極性 (OP)逆シア (RS)正極性 (RP)

Small magnetic disturbance emerging on thesheared PIL could trigger big flares
Hinode/SOT(Bamba et al. 2013, ApJ)

New Solar Telescope (1.6m)(Wang et al. 2017, Nature Ast.)

Opposite Polarity Flux
Opposite Polarity Flux

flareribbon
AR 10930
Bamba et al. 2013, 2017a, 2017b, Toriumi etal. 2013, Woods et al. 201722 June 2015 M6.5 flare (SOL2015-06-22T18:23)

33

宇宙プラズマ嵐の予測への挑戦「ひので」衛星
精密な磁場観測
宇宙天気影響予測シミュレーション
コロナ質量放出（CME）の形成伝播シミュレーション

34

文部科学省 新学術領域研究(2015-2019)

太陽地球圏環境予測：我々が生きる宇宙の理解とその変動に対応する社会基盤の形成
Project for Solar-Terrestrial Environment Prediction
Tohoku U

PSTEP Network

全国20組織、約100名の研究者Kyoto U
Hiroshima U
Kyushu U

RIHN

Osaka P U
Hyogo P U

Nagoya U
ISEE

JMA
NIPR
JAEA
JMA
Chiba UJAMSTECNICTU Tokyo
NAOJ
ISAS/JAXA RIKEN
Musashino A U
ENRISekei U
U EC

2018/4/12

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

西暦

「凍るテイムズ川 (1677)」

http://en.wikipedia.org/wiki/File:The_Frozen_Thames_1677.jpg

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37

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

過去30年の太陽磁場活動39

太陽ダイナモのモデル

太陽黒点の形成

41

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

太陽極域磁場と黒点
極域磁場

黒点

Prof. Choudhuri提供

Data Assimilation (Observation)

45

45

Data Assimilation (Simulation)46

46

Solar minimum Polar magnetic fieldCycle 24

Cycle 24 minimumBlack: WSO
Green: HMI
47

47

Next solar cycle prediction

4848

６月９日（土）http://www.stelab.nagoya-u.ac.jp/
名大祭・研究所一般公開

ひとつのシステムとしての地球・太陽・宇宙の理解を通して地球環境問題の解決と宇宙にひろがる人類社会の発展に貢献する。

49

50

51

関連研究室の位置づけ
名古屋大学
大学院
理学研究科
素粒子宇宙物理学専攻
素粒子宇宙物理系
宇宙地球物理系

総合解析部門の構成
 外国人特任教授(2)、特任准教授（2）、教授(2) 草野、町田特任助教(5)、研究員（8） 准教授(1) 三好、増田 秘書(8)、技術職員(3) 講師（２）今田、梅田 大学院生：D (8)、M(13）、学部（3） 助教(1) 家田

2018/4/12

ＳＳＴ研究室の研究テーマ
太陽地球結合システム
磁気圏境界乱流
極域磁場

衝撃波
コロナ加熱差分回転

磁気嵐

コロナ質量放出(CME)

ダイナモ
核融合

オーロラ

プロミネンス

黒点

サブストーム
環電流

放射線帯

太陽風

気候変動

フレア

対流

電離層擾乱
高エネルギー粒子の加速と伝搬
彩層

子午面
循環

沿磁力線電流結合系
太陽輻射変動

磁気リコネクション

コロナホール
プラズマ宇宙物理学

比較惑星科学

銀河宇宙線

太陽内部→彩層→コロナ→太陽風→磁気圏→電離圏→大気→地表
2018/4/12

太陽宇宙環境物理学(SST)研究室
太陽・地球・惑星から成る広大なシステムで起こる多様な現象を人工衛星・地上観測データの総合解析
スーパーコンピュータを駆使したコンピュータシミュレーションの融合によって、総合的に探ることができる世界的にも例の無い総合的研究室。
• 最先端科学研究としての太陽宇宙環境物理学• 人間の生存環境を守るための太陽宇宙環境物理学（宇宙天気・宇宙気候予測研究）

SST研究室の特徴


学際分野をカバーする豊富な教授陣


最先端の研究に直結

最新の衛星観測データ、世界最高速のスーパーコンピュータを使った研究の実践

国際的な活躍

太陽物理学、地球電磁気学、プラズマ物理学、惑星科学、宇宙物理学、シミュレーション科学の広い分野から自由にテーマを選べる。

修士学生から国際会議参加、国際共同研究を実施

多様な進路


様々な研究機関、企業への進路が可能

2018/4/12

太陽宇宙環境物理学研究室(SST研)
太陽黒点周期活動とその変動のメカニズム 太陽フレアの発生機構の解明とその予測
 太陽フレアにおける高エネルギー粒子加速 コロナ質量放出の形成と伝搬 爆発的なオーロラ発生の機構
 放射線帯の変動機構
 地球、火星の大気散逸機構
 地磁気の反転機構
 太陽活動と雲の関係
宇宙天気・宇宙気候の理解と予測

2018/4/12

学生生活の様子

世界各国との共同研究に参加し、修士課程の段階から国内外の学会等に参加・成果発表をしています。スポーツも盛ん。フットサル優勝！

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

名古屋大学太陽地球環境研究所

国内研究機関京都大学
附属天文台

海外研究機関JAMSTEC 海洋研究開発機構

核融合科学研究所
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卒業後の進路修士課程卒業生：••••

宇宙航空研究開発機構（JAXA）
文溪堂
新潟大学医学部
IT企業各社

博士課程卒業生：• オーストリア科学アカデミー宇宙科学研究所研究員,• 韓国チュンナム大学ポスドク研究員• カリフォルニア大学バークレー校宇宙科学研究所研究員• 宇宙航空研究開発機構（JAXA）プロジェクト研究員• フランス国立科学研究センター(CNRS) LATMOSポスドク研究員• 和歌山大学特任助教• 日立製作所

名古屋大学理学研究科の入試


入試説明会


6月2日（土）自己推薦入試
口述審査のみ 試験日 7月14～15日


一般入試

筆記試験＋面接
 試験日 8月22～25日
 受験の際には事前に研究室へ連絡してください。
 草野教授 kusano@nagoya-u.jp