2013年天文夏の学校
2013.7.30

太陽フレアはいつ起きるか？
草野完也
名古屋大学太陽地球環境研究所

太陽フレアフレアの際のsoft X-ray流束の時間変化

2013/7/30

3太陽嵐の影響と被害Coronal Mass Ejection

宇宙天気
短期的な宇宙環境変動

太陽フレア、コロナ質量放出（CME）
磁気嵐、電離圏嵐→ 環境・社会への甚大な影響

太陽フレア
爆発の予測
衛星

宇宙プラズマ
爆発現象の理解通信システム

被曝影響

送電網・パイプライン
Quebec blackout

A single serious event might cause $2 trillion in damages. (NRC)磁気リコネクション・フレア・モデル
Shiota et al. 2005



Flare ribbons corresponds to the feet ofreconnected field lines.

2013/7/30

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

爆発的（突発）現象地震雪崩

噴火

株暴落

革命

破局

http://en.wikipedia.org/wiki/Black_Monday_%281987%29

2013/7/30

爆発的現象の特徴
「自由エネルギー」の蓄積と解放（storage-and-release processes)“自由エネルギー”の蓄積“自由エネルギー”の解放

stableunstable

不安定性（フィードバック）
low price

例：大暴落のメカニズム
sell orderfear ofinvestor
2013/7/30

ヘリシティの過飽和による不安定化
磁気ヘリシティH = ∫ A ⋅ B dV
single mode state

double mode state

H=0(ポテンシャル磁場)

H>0single mode state不安定

double mode state

安定(Kusano et al. 1995, Kusano & Nishikawa 1996)

ひので（2006～）

2013/7/30

Nonlinear Force-Free Field Model
Inoue, Kusano et al. ApJ 2011∇ × B = αB
Force-free field

太陽表面観測磁場を境界 Twist
条件とした実データフォー
スフリー磁場モデル[∇ × B ] zdl
Tn = (4π ) ∫field line
Bz
−1

Smaller than the criticalフレア発生にとって重要な条件は？
Large-scale Component

磁気シア（磁気ヘリシティ）
Savcheva et al. 2012＋?

構造の複雑さZirin and Wang 1993

自由エネルギー不安定化（トリガ）Small-scale Component

問題：どのような複雑構造がフレアのトリガとなるか？

フレア発生条件として磁場構造















Long PIL of strong magnetic shear (Hagyard, et al. 1984)
sigmoidal structure (Rust & Kumar 1996; Canfield et al. 1999)
flux rope(Forbes & Priest 1995; Torok & Kliem 2005)
magnetic helicity injection (Kusano et al. 1995, 1996)
double loop structure(Hanaoka 1997)
flux cancellation(van Ballegooijen & Martens 1989)
converging foot point motion (Inhester et al. 1992)
narrow magnetic lanes between major sunspots (Zirin & Wang 1993）
emerging magnetic fluxes (Heyvaerts, Priest & Rust 1977; Moore &Roumeliotis 1992; Feynman & Martin 1995; Chen & Shibata 2000)
the sharp gradient of magnetic field (Schrijver 2007)
reversed magnetic shear(Kusano et al. 2004)
topological complexity(Schmieder et al. 1994)
intermittency and multifractality (Abramenko & Yurchyshyn 2010)
multipolar topologies(Antiochos et al. 1999)

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

シミュレーションによる2つの戦略
戦略①
Data-driven Simulation

初期境界条件
パラメタ

戦略②
Ensemble Simulation
様々な初期境界条件・パラメタ

仮説提示
観測による検証

Parameters in Ensemble Simulation
Large field(free energy)

Small field(trigger)&

azimuth: ϕeshear angle: θ0offset δflux Φ

Box：Rectangle including PIL
Initial condition：LFFF

161
cases




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

Earth Simulator (JAMSTEC)

Parameter Space: θ0 vs. ϕestrong shear

weak shear

potential field

Right Polarity

Opposite Polarity

Normal Shear

Right Polarity

Reversed Shearシミュレーション結果
strong shear

flare

noflarenoflareweak shear

potential field

Right Polarity

Opposite Polarity

Normal Shear

Reversed Shear

Flare Phase DiagramOP
strong shear

RSflarenoflarenoflareweak shear

potential field

Right Polarity

Opposite Polarity

Normal Shear

Reversed Shear

反極性型（OP-type）

逆磁場型（RS-type）

Magnetic structure just prior to flare
OP typeBpcurrent sheet
Flux tube is formed by reconnection in chromosphere.

chromosphereMagnetic structure just prior to flare
OP typeflux tube

Bp
current sheet

Flux tube is formed by reconnection in chromosphere.

chromosphereF=rcI2−BpI
F
電流 I

リコネクション

トーラス不安定性
Ideal MHD

２つのフレアトリガ・シナリオ
Eruption-induced Reconnection

OP
type

MHD
Instability

MagneticReconnection

Reconnection-induced Eruption

RStype観測的検証OPRS

2006-12-13 02:22 UTRSRSOPZirin and Wang 1993

OP
Kurokawa, Wang & Ishii 2002

Green, Kliem & Wallace 2011

フレアトリガ領域の形成過程
Toriumi, Iida et al2013 (in press)

Bamba, et al2013 (submitted)

magneticflux
トリガ磁場の磁束Ca lineemission

プリフレア発光 (Ca II H)

flare非線形不安定性の分岐遷移

free energy

How large free energy
has been loaded?

Critical Phenomena

Linear instability

Triggered Phenomena

When will he come?

Nonlinear instability

まとめ
太陽フレアは大きなスケール（数10Mm以上）におけるエネルギー蓄積と小さなスケール（数Mm以下）の擾乱の相互作用によって発生する非線形不安定化現象である。
 逆極性（ＯＰ）型磁場と逆シア型（ＲＳ）型磁場は、効果的なフレアトリガとして働く。
 それゆえ、大きなスケールと小さなスケール双方の磁場観測によって、フレア発生予測は原理的に可能である。
News: Solar Flares are Predictable!
朝日新聞 2012年11月3日

予測と近代科学


ハレー彗星

Wikipediaより

エドモンド・ハレー（1656年10月29日 - 1742年1月14日）

1682年に出現した彗星の観測データとニュートン力学から、この彗星が76年の周期を持つ楕円軌道を持つと結論（プリンキピア出版は1687年）
過去の記録から、1531年、1607年に出現した彗星が同一のものと推測
次回の回帰が1758年であると予測。
1758年12月25日、予測通り彗星が出現。