第15回宇宙天気ユーザーズフォーラム
2020年11月11日10:05-10:35@オンライン

宇宙天気ミニ講座 太陽編
西塚直人©NAOJ/JAXA

SDO衛星©NASA

情報通信研究機構
電磁波研究所宇宙環境研究室
https://defn.nict.go.jp
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NICT宇宙天気予報センター
https://swc.nict.go.jp/
宇宙天気予報内容を配信（1日2回更新）
太陽活動から地球大気まで、予報対象は様々。
‣ 太陽‣ 地球磁気圏（静止衛星軌道）‣ 電離圏（超高層大気）① 現況チャート（定常観測）【 ミニ講座の内容 】

太陽編② 予測モデル（研究開発）• どうやって見たらいいの？
（見方・使い方）③ 観測データ公開• 何が起こっているの？
（自然現象の理解）
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太陽フレアと宇宙天気NASA

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活動期（極大期）

黒点数の11年周期
変動

太陽活動の１１年周期 静穏期（極小期）

次の極大11年

2025年頃
現在

1900年

1950年

2000年

* ベルギー王立観測所 (http://www.sidc.be/silso/yearlyssnplot)4「ひので」衛星が見た黒点
G-バンドフィルター, ひので可視光望遠鏡

Hinode

対流（粒状斑）磁場from Thomas & Weiss 2002 ARAA

太陽内部から磁場が浮上してきて黒点ができる。
地球の大きさ©NAOJ/JAXA

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彩層1万度太陽フレア
１９世紀中頃発見、黒点近傍で発生
サイズ～（1－10）万ｋｍ
太陽系最大の爆発現象：水爆10万ー1億個）

発生メカニズムが1世紀以上謎

2006年12月13日 Xクラス・フレア
ひので可視光望遠鏡カルシウムフィルター6

太陽フレア
右上図： 軟X線→
2011年2月14日
Mクラス・フレア
ひのでX線望遠鏡
Ti polyフィルター

太陽フレアは大量の放射線(X線など)や高エネ粒子を放射する。

フレアモデル2006年12月13日 Xクラス・フレア
ひので可視光望遠鏡カルシウムフィルター7

太陽プロミネンス(紅炎)噴出（史上最大：１９４６年６月４日：米国ＨＡＯ天文台）

地球の大きさヘリカルな螺旋状構造は磁場を表している。

8コロナ質量放出（ＣＭＥ）（フレアにともなうコロナ・プラズマの噴出流＝＞地球に影響）
速度～秒速
１００－１０００ｋｍ、質量～１０億トン（ＳＯＨＯ／ＬＡＳＣＯ，可視光／人工日食）

２－３日後に地球に到達

明るい太陽部分は→円盤で遮蔽
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太陽フレアに伴うＸ線
太陽フレアの規模はこの観測(赤線)から決められている。
フレアの規模最大X線量Fx[W/m2]

発生
頻度X10-4 < Fx

3回

M

10-5 < Fx < 10-430回

C

10-6 < Fx < 10-5300回

B

10-7 < Fx < 10-6 3,000回

A

10-8 < Fx < 10-7

大規模なフレアが起こると、通常の100~1,000倍のX線が地球に降り注ぐ。
（地震と同じく１桁ごとにクラス分け）

M8.7フレア

http://www.swpc.noaa.gov/▶ デリンジャー現象（通信異常）10太陽からやってくる高エネ粒子(プロトン)
プロトンは水素の原子核。
太陽フレアに伴って加速されて放出される。
・ 大きなプロトン現象時には通常の１０００～１万倍に。

▶ 宇宙飛行士, パイロットの被曝▶ 短波通信の途絶（極冠吸収）▶ 人工衛星の誤動作

http://www.swpc.noaa.gov/
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希薄なガスの定常的な流れ(太陽風)太陽風は２－４日で地球に到達。
地球から１５０万ｋｍの(月の４倍遠い)ところにあるACE, DSCOVR衛星を用い、直前(到達１－２時間前)に観測。

• 速度や密度、磁場の強さが分かる。
• 速い太陽風が地球に吹きつけると、地磁気が乱される。

ACE, DSCOVR衛星のデータ受信アンテナは米・独・日・韓にある。
日本はNICT小金井本部で受信。
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太陽フレア・太陽風と地磁気嵐

宇宙天気予報13

2013～2014年の太陽風（宇宙嵐）

Shiota etal. 2014360°
惑星探査にも影響

水星(水色) ・ 金星(橙) ・ 地球(青) ・ 火星（赤） ・ 木星(緑)14

NICTの宇宙天気情報
太陽編

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NICT宇宙天気予報センター
https://swc.nict.go.jp/

太陽関連の予測▶ 太陽フレア▶ プロトン粒子▶ 地磁気嵐（擾乱）① 現況チャート（定常観測）▶ デリンジャー現象（通信異常）② 予測モデル（研究開発）③ 観測データ公開16太陽フレア予報

地上からの高さ

通常の短波伝搬
D領域

時間

今後１日間に発生すると予想される最大の太陽フレアの規模の予報
送信周波数[MHz]太陽フレア発生時
D領域
デリンジャー現象

通常の短波伝搬
D領域

太陽フレア予報が活発、非常に活発の場合→ デリンジャー現象（短波通信障害）が起こる可能性が高い。

※詳しくは
電離圏編
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プロトン現象情報

1000個100個10個1個1000個超えで極域付近の通信障害の恐れ

1個以上で宇宙飛行士 被曝の恐れ

18>100 MeV >50 MeV >10 MeV

赤線（10MeV以上のエネルギーのプロトン）がオレンジ線（10個 cm-2 s-1 sr-1）を超えると、プロトン現象発生。100個、千個、1万個を超えた場合、臨時情報が発令！

182012/1/23 民間航空機が飛行ルート変更

太陽放射線被ばく警報システム
WASAVIES 運用開始(2019.11～)

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AI技術を用いた太陽フレア予測
開発編

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■ 太陽フレアの発生と予測
黒点成長とエネルギー蓄積(Hinode/SOT)

フレア観測(Hinode/XRT)

太陽フレア（野辺山電波ヘリオグラフ）

Made by Y. Iida

これから１日間に、最大どの規模のフレアが発生するのか？を予測する

Watts m-2X

今日

明日

２日後

３日後

M
CB
A

世界標準時

GOES15
1.0-8.0Å

Xクラス

GOES15
0.5-4.0Å

軟X線放射量の時間変化

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■ 宇宙天気予報の現状
2013年9月 ~ 2014年8月 黒点数とフレア予測適中率100

黒点数（月平均数）
東京ボルダー(米国)シドニー
ブリュッセル北京
チェジュ 2015~80
的中率(%)

60

40
200*国際宇宙環境サービス

月 (2013年9月 – 2014年8月)

人手を介した予測:
的中率~40-80%
スキルスコア:TSS~0.5（-1.0 < TSS < 1.0）
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■ＡＩ技術を用いた太陽フレア予測モデル開発
Deep Flare Net (Nishizuka et al. 2018,2020 ApJ論文掲載)
1日の衛星データ：1.5TB以上→人の処理能力を越えた膨大なデータ

Yohkoh, 軟X線

深層学習

複雑な黒点:フレア起きる！
単純な黒点:穏やか・・・のような判断を、AIにさせる。
磁場画像

学習データ：過去6年分の30万枚の太陽画像(4k×4k)。黒点領域を自動検出し、特徴量を抽出。

ベクトル磁場磁気中性線

従来：TSS＝0.5↓
A.I.: TSS=0.89（TSS=1 で100％的中）

予報運用ウェブ
公開 (2019.4～)

・深層学習とビッグデータで、太陽フレアの発生予測を８割へアップ
・AI技術が太陽フレア予測にも有効であることを実証。現在、運用検証中 23

AIによる分析で分かった■フレア予測に有効な黒点の特徴♦黒点の特徴の重要度ランキング

・黒点の約60個の特徴の有効性を比較した。
⇒ 地震と同じくエネルギー蓄積とトリガー現象が鍵！
★いまだに解明されていない太陽フレアの発生メカニズムを解明する鍵が得られた。
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■まとめと今後• 太陽活動は宇宙天気の源であり、フレアやコロナ質量放出(CME)、高エネルギー粒子(プロトン)などを発生する。
• 太陽フレアを予測することで、従来よりも早い予報が可能になり、宇宙天気の影響による災害の早期対策へ貢献できる。

• 従来人手による予測を行ってきたが、様々な大量の観測データが利用できるようになった現在、AI技術（深層学習）を用いた太陽フレア予測手法の有効性が示された。現在、Deep Flare Netによる予報ウェブ公開を行っている。https://defn.nict.go.jp• 太陽放射線被ばく推定システムWASAVIESも昨年運用を開始し、ICAO (国際民間航空機関)に情報提供中。https://wasavies.nict.go.jp• リアルタイムのより精度の高い予報情報として活用されるよう、ユーザーご意見も取り入れながら今後さらに改良していきたい。
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