太陽活動変動の気象・気候影響
余田 成男
よでん しげお（京都大学大学院理学研究科）

第11回宇宙天気ユーザーズフォーラム
2016年6月14日（火曜）科研費 新学術領域 2015～19 「太陽地球圏環境予測」
未解明の重要科学課題
太陽フレア爆発発生機構の解明

コロナ質量放出形成機構の解明電磁気圏擾乱現象の機構解明

太陽活動の気候影響の機構解明

太陽天体物理学

宇宙空間物理学

地球電磁気学

気象・気候学

爆発現象

太陽太陽
長期変動

高エネルギー粒子
太陽風（高速プラズマ流）
太陽放射（VIS, UV, EUV, X)

宇宙放射線
磁気嵐 地球 電離圏嵐
気候変動

０．はじめに： 地球、気候に関する基礎知識
空間スケール： 薄い大気
 (鉛直)/(水平) ～ 10km/10000km = 0.001
 スケールレンジ： 107m ～ 10-9m

よく混ざっていない非均質大気
 ３次元的な認識・記述の重要性
 物質・エネルギーの輸送を担う大気運動
Gore (2006) “An inconvenient truth”
地球から昇る太陽を宇宙空間でとらえたディジタル処理画像 １９８４年

時間スケール： 地球大気の進化
 地球システムの変遷： 水の存在、生命の誕生、・・・
1
酸素・オゾンの現在値との比

10-1

生命の役割10-2 植物の光合成： CO2酸素
 動物遺骸の炭酸カルシウム化： CO2固定

10-310-446

太陽の役割 植物の光合成
 酸素オゾン： 光化学反応（紫外線吸収）
30

20

10

52億年前

Wayne (2000; p.672)

地球大気のユニークさ 太陽・惑星・衛星の大気の組成比
 cf., Wayne (2000; p.2)

太 Sun
陽H2

金星
Venus
地Earth球He
CH4

火Mars星木星
Jupiter

NH3
CO2

土星
Saturn天王星
UranusN2O2

海王星
Neptune
タイタン
Titan

Ar
0200

400

600

8001000 ‰大気の温室効果 （エネルギー収支の大気上下端間の差） H20、 CO2、CH4、・・・などの微量な大気分子 地表からの赤外放射の大部分は大気で吸収  大気を加熱
 大気からの赤外放射は等方的（上にも下にも） IPCC AR4 (2007;
 下向きの赤外放射が余分に地表を加熱
FAQ 1.1 Fig.1)
反射太陽放射107Wm-2

入射太陽放射342Wm-2

射出赤外放射235Wm-2
342Wm-2

大気の温室効
果
吸収太陽放射 顕熱・潜熱輸送 射出赤外放射 吸収赤外放射-224＋78Wm-2
168Wm-2
324Wm-2 492Wm
390Wm-2惑星毎に特徴的な温室効果

金星
地球
火星
木星

大気上端
温度 [K]

惑星表面
温度 [K]

差 [K]

230
250
220
130

735
288230---505
3810---（Houghton、2002、小倉、1999、に基づく）

水（氷・水蒸気）の役割
 海： 液体としての水地球にのみ存在  生命の生まれたところ

 水蒸気： 強力な温室効果気体
金星は「暴走温室効果」の結果

地球温暖化研究のなかで

235Wm-2 x 0.001= 0.235Wm-2

 IPCC 第4次評価報告書 （2007）
 放射強制力（全球平均）の見積もり

CO2
人為起源

CH4ほか
O3エアロゾル
自然変動

太陽放射変動-2-1

012[Wm-2]

IPCC (2007;
Fig. SPM.2)

２．地球の気象・気候に影響する太陽活動変動

Gray et al.
(2010)
太陽黒点数

太陽活動の諸変動
1) 太陽放射の変動 全量（TSI）の変動
 波長毎の変動
紫外線域で大太陽フラックス

2) 太陽風の変動
 太陽プロトン現象
 高エネルギー電子

ニュートロン数

3) 2)の影響による銀河宇宙線の変動

全放射照度

 空気シャワー

19752010

太陽活動の諸変動が気象・気候に影響する可能性
 放射  温度場
 紫外線  大気微量成分（オゾンなど）
 高エネルギー粒子  大気微量成分（ＮＯｘなど）
 宇宙線  大気電場、イオン、・・・大気上端に到達するエネルギー
Haigh et al. (2005) “Influence of solar activity cycles on earth’s climate”

全放射照度太陽風 (103 eV)
磁気圏降下荷電粒子 (104 eV)
銀河宇宙線 (108 eV)1366 W/m2～10-4 W/m2
～10-5 W/m2
～10-5 W/m2

１１年周期変動
全放射照度 (0.1%)
1.37 W/m2 (÷4)
０次元（全球大気平均）放射平衡温度に対する影響：
 （１－Ａ）Ｆｓ＝４σＴ4ΔＴ ＝ 0.25Ｔ（ΔＦｓ/Ｆｓ) ＝ 0.25 x 288 x 0.001 ～ 0.07 [Ｋ]気候に影響するには 増幅メカニズム
増幅メカニズム が必要紫外線域変動 （1～10％）太陽風変動、銀河宇宙線変動（～数十％）

３．太陽活動変動と気候変動との相関11年周期変動と関連する電離層の変動
 Lean (1997)
 全電子数 F2層臨界振動数
高振動数側では電離層での反射なし

 太陽黒点数

1940年

1980年

11年周期変動と関連する成層圏の変動
 Labitzke and van Loon (1999)
 波長10.7cm太陽電波と年平均 30-hPa 等圧面高度場との相関

km30 hPa 高度 （30N, 150W）
24.0

陰影部：
統計的有意性 99%以上

23.9

太陽活動変動
1960年

Cor.～0.75
1995年
3年移動平均11年周期変動と関連する対流圏、海洋の変動
 White, Lean, Cayan, and Dettinger (1997)
 海洋観測データ
40S-60N平均
海面温度偏差: El Nino

1955年
太陽放射変動1985年

 Marsh and Svensmark (2003; Gray et al., 2010)
 全球平均した下層雲------- 銀河宇宙線変動 (地磁気低緯度でのニュートロン数)- - - - 全球下層雲面積変動 (「修正後」 ISCCP データ)短時間変動：太陽プロトン現象と関連する成層圏の変動
 Randall et al. (2005)
 Scientific Assessment of Ozone
Depletion: 2006 収録
 北半球上部成層圏 （40 km）でのNO2 、O3 およびオゾン全量
 2003年ハロウィーン・イベントの影響
 中間圏・熱圏でのNOXの生成
 成層圏NO2の増加  輸送
 成層圏O3の減少  化学反応
 ・・・
 数か月にわたる影響
 長寿命物質の摂動

1月

12月

 イベント直後の大気微量成分応答 (Rohen et al., 2005)
 プロトンフラックスと成層圏オゾン（＋）の時間変動

 大気のイオン化率の高度-時間変化の見積もり（）長時間変動：地質学的データに残された変動
 Neff et al. (2001)

オマーン鍾乳石δ18O

大気中（年輪・氷床）∆14C(x0.1%; 太陽活動の代用データ)(x0.1% VPDB; 降水量の代用データ)“Strong coherence between solar variability and the monsoon in
Oman between 9 and 6 kyr ago” Nature, 411, 290

1000 年

現在より何年前過去には 太陽活動変動の気候影響に関する研究への「偏見」
 観測データに対する制約： 局所性、観測期間、 ・・・ ヴィクトリア湖の例
 因果関係： ブラックボックス or 「風が吹いたら桶屋が儲かる」
 観測データで検証されていない「学説」

最近の状況： 新たな動機付け 高品質データの蓄積 衛星観測データ： 全球分布、大気圏外
 新たな地質学的データ： 長期間データの高精度試料分析

 コンピュータの飛躍的発展 気候モデルの精緻化
 データ解析手法の高度化

 地球温暖化と関連した興味の増加 人為的影響 分離 自然変動 （太陽活動、火山噴火、・・・）太陽活動変動と気候変動との相関を示す観測データ
因果関係は、依然としてブラックボックスか未検証の学説
太陽活動変動と気候変動との関係を理解するには、気候モデルを用いた「数値実験による検証」が必要

Sun

Solar
Change Data?
Model

Earth

ClimateChange Data

Gray et al.
(2009)

コンピュータ シミュレーション科学の挑戦

４．地球システムモデルを用いた数値実験
数値天気予報モデル気候モデル地球システムモデル
計算機性能・技術の飛躍的発展
 計算速度、メモリーサイズの指数関数的な成長
ENIAC
計算速度(対数目盛)

The Earth Simulator
R&D Center

http://ei.cs.vt.edu/~history/
ENIAC.Richey.HTML

1953年

http://www.es.jamstec.go.jp/
esc/jp/index.html

2005年

気候モデル、地球システムモデルの概観
 始まりは数値天気予報モデル （1950年～）
 物理法則に基づいて大気の将来をコンピュータで予測 日々検証されてきた実用に耐えるモデル

 初期値問題としての気象予測
 全球的な気象観測による現状（初期値）把握
 カオス(Lorenz, 1963)： 予測の限界

 気候モデル、地球システムモデルへの改変
 より長い時間スケールでは変動するもの：
海洋、陸水、雪氷、陸面、植生、大気組成、・・・
 それらの支配法則（方程式系）の構築
IPCC (2007; FAQ 1.2 Fig. 1)

気候モデルで計算していること
 平衡状態としての気候の形成
 初期値に依存しない平衡状態への収束 ＝ 気候
 検証： 現在気候の再現

 気候変化実験
 外部条件変化に対する応答
変化シナリオON-OFF実験 
時間スライス（条件固定）

 気候変動実験
 外部条件変動に対する応答
周期変動
イベント
 内部変動外部条件一定でも存在システムの緩和時間依存Meehl et al. (2003)

外部強制の時間変化
両方

温室効果
気体

太陽活動変動

ON-OFF実験での応答
全球平均気温偏差
観測

1890年

1990年

過去1000年の再現実験
 変化シナリオ：
 火山噴火 太陽活動変動
 温室効果気体
 パラメータ値スウィープ実験：
マウンダー極小期の減少率
0.65％ 0.25％ 0.1％

地質学的に「復元」した気温変動

1000年

1800年

http://en.wikipedia.org/

Ammann et al. (2007)最近の研究より
 Noda et al. (2016)
 気象研究所地球システムモデルによる完新世中期（６千年前）
気候再現実験
[K]
オゾン化学反応の重要性

ー PMIP2, CMIP5 models(Prescribed O3)
ー proxy- - 本研究 (1,850年の O3)
ー 本研究 (6000年前の軌道要素で光化学反応を計算したとき)-50

0latitude50

５．おわりに過去には 太陽活動気候影響研究に対する「偏見」
 観測精度 観測データ数（領域）の制約
 観測期間の制約

最近では 高品質データの蓄積
 先端技術を駆使した観測、大アンサンブル平均
 全球をカバーする人工衛星観測
 高精度高時間分解能な地質学的試料分析

 時代の要請
 地球温暖化と関連した興味の増加

 コンピュータの飛躍的発展が気候研究の新時代を切り拓く
 気候モデルの精緻化 （あるいは、不確実性の低減）
 データ解析手法の高度化

終