理系大学生のための太陽研究最前線体験ツアー
2016年3月31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

2017/4/1

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
10-1100

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 3E=
L
2µ0
黒点磁場のエネルギー～1025~26J

Gauss

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

6太陽のX線観測
ようこう衛星太陽フレア：太陽系最大の爆発現象
水爆（TNT換算１メガトン級）１億個分のエネルギー7フレアに伴うＸ線、電波、電子流束

太陽地球圏の環境変動
太陽地球圏の環境変動
発生

伝播

影響

爆発現象

宇宙放射線

高エネルギー粒子

太陽

太陽

長期変動

太陽風（高速プラズマ流）

磁気嵐

太陽放射（VIS, UV, EUV, X)

地球電離圏嵐気候変動

過去400年間の太陽黒点数変化
小氷期
太陽コロナのX線観測(ようこう衛星)

西暦2太陽地球結合系

11

12
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Po

13

3

宇宙環境変動の社会影響
大フレア時に約100mSvの被曝可能性

大フレア時に約4mSvの被曝可能性

宇宙放射線粒子輻射測位・通信輻射
太陽風粒子

2014年1月宇宙放射
線増加によりISSへの補給機打上延期

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。

気候影響粒子輻射太陽風粒子
輻射太陽風

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「凍るテイムズ川 (1677)」
http://en.wikipedia.org/wiki/File:The_Frozen_Thames_1677.jpg

太陽活動の大極小期（グランド・衛星障害・軌道影響 ミニマム）における小氷期の発生

Carrington’s Flare（1859, Sep 1）
Richard C. Carrington
Discovery of Solar Flare

Carrington, R.C.: 1859, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 20, 13.
15

Carrington’s Events

Giant magnetic storm
・active Aurora

・磁気嵐の指数
Dst~1600nT
日本でも弘前（青森）、平鹿（秋田）、印南、新宮（和歌山）でオーロラが見えた記録がある。
早川尚志（京都大学）
Green, J.L., Boardsen, S., Odenwald, S., Humble, J., andPazamickas, K.A.: 2006, Advances in Space Research 38, 145.
16
（Elsevierより、許可を得て転載）

Giant Coronal Mass Ejection (CME)Baker, D.N., Li, X., Pulkkinen, A., Ngwira, C.M., Mays, M.L., Galvin, A.B.,
and Simunac, K.D.C.: 2013, Space Weather, 11, 585.

STEREO-B

STEREO-A

2012年7月23日に巨大CMEが太陽の裏側で発生

MHD Simulation
Baker, D.N., Li, X., Pulkkinen, A., Ngwira, C.M., Mays, M.L., Galvin, A.B.,
and Simunac, K.D.C.: 2013, Space Weather, 11, 585.

地球

地球

Dst~1182nTの磁気嵐が発生可能密度

速度

Paleo-cosmic ray study (古宇宙線学）
using cosmogenic isotope in tree rings
Cosmic ray

名古屋大学の研究チーム
西暦774年～775年と西暦993年～994年に宇宙線が急増したことを発見！

N
14C

炭素同位体（アイソトープ）

Fusa Miyake, et al., Nature, 486, 240-242 (14 June 2012) A signature ofcosmic-ray increase in AD 774–775 from tree rings in Japan
Fusa Miyake, et al., Nature Communications, 4, id. 2747 (7 November 2013)名古屋大学宇宙地球環境研究所

19従来の予測方法 Classification


McIntosh classification

McIntosh 1990

Gallagher, Moon, Wang 2002
Sol. Phys.

Leka’s presentation in PSTEP-1

2017/4/1

米国NOAAのフレア予測結果
Crown 2012 “Validation of NOAA/SWPC Flare
Probabilities for Cycle 23”

Contingency Table for X-class Flares Prediction with the lead time of one-day

Observation Observation

Forecast positiveYesNo50 (a)52 (c)

a/(a+c)~0.49precision

negative

67 (b)
31315 (d)hit ratea/(a+b)~0.43

Skill Score = (a-b)/(a+c) ~ -0.17
True Skill Score (TSS)= a/(a+b) – c/(c+d) ~ 0.43

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：LFFF

161cases

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

Earth Simulator (JAMSTEC)

Ensemble Simulation of Solar Flares

K. Kusano et al., MAGNETIC FIELD STRUCTURES TRIGGERING SOLAR FLARESAND CORONAL MASS EJECTIONS, ApJ, 760:31, 2012 November 20.

Weak shear

shear free(potential field)

Shear angle of large component

Strong shear

Magnetic polarityinversion line (PIL)

Azimuthal angle of small field

Right Pol (RP) Normal Shear (NS) Opposite Pol (OP) Rev Shear (RS) Right Pol (RP)

Ensemble Simulation Study

Flare phase diagram (Kusano et al. 2012)2-ribbon flares

noeruption

noeruption

eruption

weak shear

potential field

Right Polarity

Opposite Polarity

Normal Shear

Reversed Shear

magnetic shear angle

strong shear

Kinetic
EnergyTwo ways to trigger eruptions
sigmoid

Triggered by
Opposite Polarity (OP)fieldcurrent sheet

Triggered by
Reversed Shear (RS)field
2017/4/1Observation by Hinode

Kusano et al. 2012
Bamba et al. 2013+-AR 10930

AR 11158

Triggered by OP-field

Triggered by RS-field
2017/4/1

世界最大の太陽望遠鏡


ビッグベア天文台ニュー・ソーラー・テレスコープ（New Solar Telescope）（口径1.6m）

観測された太陽黒点

2015年6月22日17：51UT （世界標準時）

観測結果


プレ・フレアとフレアの太陽表面での発光

磁場観測

発光現象の観測Opposite Polarity Flux

中日新聞 ２０１７年3月３０日（木）Numerical Prediction


Muhamad & Kusano(submitted)

Nonlinear force-free field extrapolated fromthe vector magnetic field observation

𝛻𝛻 × 𝑩𝑩 = 𝛼𝛼𝑩𝑩
trigger field

AR 10930
2017/4/1

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 UU EC

2017/4/1

新学術領域“PSTEP”の組織構成と連携
国際連携拠点総括班 （名大 草野）

社会経済活動

A01 予報システム班 （NICT 石井）① 社会のニーズに応える予報システムの開発②短期変動モデルの統合⇒社会影響予測実験

A02 太陽嵐班（京大 一本）

A03 地球電磁気班（名大 三好）

フレアモデル
太陽圏モデル

粒子加速モデル磁気圏モデル
大気電離圏モデル

フレア発生予測太陽風擾乱予測（爆発現象）
衛星観測(ひので、SDO) 光球磁場
地上観測 フィラメント磁場速度

宇宙放射線予測
地磁気変動予測
電離圏擾乱予測

衛星観測 (ERG)、地上観測

A04 周期活動班 (京大 余田）③長期変動（気候影響）

太陽観測（ひので衛星）
気候データアーカイブ

太陽周期活動モデル
地球システムモデル

公募研究

次期太陽周期予測
太陽気候影響要素
7

① Forecast Operation Groupassessment

Socio-Economic System

A01
Mamoru Ishii (NICT)
宇宙天気予報運用機関(NICT)と大学・研究所・企業による強力な産官学連携研究

evaluation

to build the base of next-generation space weather forecast

 Forecast systems to meet the needs of society, Assessment of severe space weather■情報通信研究機構（代表、連携２名）■電子航法研究所（分担1名）■原子力研究開発機構（分担1名）■ JAXA本部（連携1名, 協力1名）■東京電力（協力1名）■電気通信大学（分担1名）■名古屋大学太陽地球環境研（連携1名）■自然災害影響調査の専門家

predictionfeedback

Integration of Physics-based Models
integration

A02 Solar Storm
flare prediction model
CME prediction model

evaluation

A03 Geomagnetism
Radiation prediction model
GIC prediction model
Ionosphere model

A04 Solar cycle
Solar cycle model
Earth system model8

② Short-term prediction (Space Weather)verification

prediction

A01 Operation GroupA02 Solar Storm (PI: Ichimoto)

分担3名、連携4名 (Kyoto、Nagoya、JAXA、NAOJ、NICT、JAMSTEC)

A03 Geomagnetism (PI: Miyoshi)

Prediction of radioactivity in space
Short-term prediction of radiation belt and SEP

3D B model and data-driven simulation

vector magnetic
field

Data-driven
simulation offlare

CME prediction modelearth

Kusano, et al. 2012

sunNAOJ

verification

prediction

分担7名、連携5名 (Ngoya、Tohoku、Kyusu、Kyoto、NICT、ISAS、MC)

Prediction of Solar Flare & CME
HinodeBV
predict

ERG（2016）

first measurement of waveparticle interaction

Physics-basedmodeling

Radiation belt
model including
nonlinearacceleration

Prediction of ionospheric disturbance
predicting meso-scale disturbance and propagation

Numerical Prediction ofSolar Flares

Evaluation
at L1

IonosphereAtmosphere global
connection model(GAIA)

Now-casting of Solar Storm

Assimilation of CME b/w network observation and modelmeso-scale
ionospheric modelInter-scale
coupling
Plasma bubble

Prediction of geomagnetically induced current
Local model of GIC taking into account of conductivity distribution

SMART Hida observatory
Nagoya Univ.
NICT new radio burst
IPS observation of
Doppler measurement of filamentmonitering systemvelocity
solar windLong-variation

9observation

Multiscale

Global magneto- interaction
shperic model

A04 Solar Cycle Group

GIC model
In Situwith groundmeasurement ofconductivity validation
GICLong-variation

observation

③ Long-term prediction (space climate)
A01 Operation Grouprequirement

prediction

A02

A04班 PI Shigeo Yoden (Kyoto U)

A03

Kyoto、Nagoya、Musashino-art、Seikei、Hyogo-pref、MC、NAOJ、NICT）

Active Region Countyear

Various processes forsolar influence to climate

Earth system
model
MRI-ESM
IPCC気候モデル相互比較CMIP6に参加

3D dynamo model
Using K-comp

data

3D MHD model+flux transport
dynamo model

Geo-magnetism

cycle25

prediction

Solar Storm?

variabilitydataPrediction of Cycle 25

Leif Svalgaard's Research Page

Mechanism of solar influence
to climate

Evaluation of probability ofGrand minimum and little ice age
長期的な太陽地球圏環境変動を予測するための技術開発

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