天文夏の学校2013@宮城蔵王 2013年7月29日 17:30‐18:00

太陽活動現象が地球に与える多彩な影響
片岡龍峰（国立極地研究所）

前半1) オーロラ粒子
2) ヴァンアレン帯粒子
3) 太陽放射線後半A) マウンダー極小期B) キャリントン磁気嵐C) 星雲衝突

aurora3d.jp
網羅的な紹介ではなく（たとえば重要な「紫外線」は触れない）、私が研究している太陽活動のインパクトについて紹介します。

「最速」への挑戦。→最速オーロラの発見（Kataoka+2012）

NHK「宇宙の渚」
Oct‐Nov 2011 Poker Flat Research Range
Phantom + Hamamatsu II + 24mmF1.4 lens + RG665 filter

Kataoka+2013

対流圏、成層圏、中間圏、熱圏

aurora3d.jp

太陽紫外線が原因なのに、なぜ夜にも電離圏がある？

太陽紫外線が原因なのに、なぜ夜にも電離圏がある？

電離圏と熱圏
Topside profile is determined by the ambipolar diffusion

F‐region

E‐region

0.1%
0.0001%

ionosphere
1. Dissociative recombination (molecular, fast):
2. Radiative recombination (atomic, slow):thermosphere

After Johnson (1969)

NO   e   N  OO   e   O  photon大気の電離源？

太陽放射線（MeV）は中間圏でストップ
銀河宇宙線（GeV）は対流圏でストップ

オーロラ電子（keV）は電離圏でストップ
ヴァンアレン帯電子(MeV)は中間圏でストップオーロラ爆発の発電量は？
• 10‐100kV x 1 MA = 10‐100 GW

ＤＥ－１衛星が観測したオーロラ爆発。
磁気嵐中に何度も繰り返し発生する。

放射線帯 = ヴァンアレン帯
MeV電子（赤いところ）放射線帯の種=100keV電子が降るのがdiffuse aurora（オーロラのエネルギー消費率の7割以上）10-100keV陽子が溜まると、「磁気嵐」という状態になる。
（Ring Currentというところ）なぜ陽子や電子が双曲子磁場に閉じ込められる？
１．サイクロトロン運動（磁場に巻き付く）
２．ミラー運動（磁場に沿って跳ね返る）
３．ドリフト運動（磁場と垂直にずれていく）

２．ミラー運動

３．ドリフト運動

途中で粒子の軌道が曲げられると大気に落ちることある宇宙天気予報という研究分野がある。地球へのインパクトを予測するにはどうしたらよいか。

コロナ質量放出と太陽放射線
CME = Coronal Mass Ejection

放射線嵐の実際の観測データ

人工衛星障害A) 放射線帯（MeV電子）

宇宙飛行士の被ばくB) 太陽高エネルギー粒子（MeV陽子）
航空機乗務員の被ばくC) GLE: Ground Level Enhancement（GeV陽子）
D) Forbush Decrease（GeV陽子)
銀河宇宙線が一時的に減少

http://www.ngdc.noaa.gov/stp/satellite/goes/dataaccess.html

Background of This Worka few mSv / flight during
large solar flare(worst case)

Kataoka+2011

Radiation Exposure Level in Daily Life
Translated by volunteer students of Keio University from material created by the MEXT, Japan

宇宙放射線被害
・天気予報（気象衛星）
・カーナビ（GPS衛星）・BS放送（放送衛星）
一時間で回復一日で回復Razanov+2012

NOx

O3

気候への影響「磁気嵐」の２大発生原因は、宇宙の寒冷前線や台風にたとえられる
地球の天気図天気予報：「台風が日本にやってきます」

アルフベン波

１．コロナ質量放出

２．コロナホール

極大期に多い

減衰期に多い衝撃波がない磁気嵐で放射線帯が変化する規則性

強い磁気嵐「急始」ありだらだら磁気嵐「急始」なし
Kataoka and Miyoshi (2006 Space Weather, updated)

磁気流体宇宙天気図ほぼ完成

Shiota+2013 in prep

宇宙と地球の過去と未来（後半）A) マウンダー極小期• 長期的に黒点が出ない時代に突入？

B) キャリントン磁気嵐• 最大級のフレアの影響は？

C) 星雲衝突• 最悪の宇宙環境と地球へのインパクトは？

黒点が出ない時代に寒冷化するという対応関係があるが、そのメカニズムは？

マウンダー極小期• マウンダー極小期（1645‐1715）• ダルトン極小期（1790‐1820）

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Sunspot_Numbers.png

マウンダー極小期の大振幅宇宙線異常
Kataoka, Miyahara, & Steinhilber,Space Weather (2012),“Anomalous 10Be spikes during theMaunder Minimum: Possible evidence forextreme space weather in the heliosphere”
太陽圏カレントシートの畳み込み幅（V依存）とGeV陽子のジャイロ(B依存)が同程度になり、異常透過した可能性がある。

マウンダー極小期に入る兆候？

極磁場の反転時期がゆっくりしている。
極磁場の強さも長期的に弱くなっている。 （Lockwood+2011GRLなど参考になるかと）調べてみると面白いかもしれない500年の記録がある。

諏訪湖の御神渡り

特に江戸時代からは御神渡りのできる方向と農作物の作柄の関係が記録の中で重視され、そのデータは現在の御神渡り神事でも行なわれている「年占い」に反映されている。

http://www.city.suwa.lg.jp/web/scm/dat/special/omiwatari/この後の変化は？

7年後Marsh&Svensmark, 2000

黒点数

太陽風の磁場強度

宇宙線量

低層雲量

Kataoka 2010

宇宙線と低層雲量（1984‐2009）

宇宙線増える

低層雲増えない

2000

2003

2006

2009

観測史上最強のキャリントン嵐• 1859年9月2日午前9時30分、ボストンのステート通り31番地にあった電信局の交換台で過電流が生じた。交換手らは、機器に接続されていたバッテリーを外して（！）営業を続けた。
• 1859年は、日本では江戸時代末期の安政6年• G. B. Prescott, Am. J. Sci. Arts, 29,
92, 1860

1859/9/1にキャリントンがスケッチした黒点

ラピュタで出てきたモールス信号のあれだと思う。たぶん。

キャリントン磁気嵐• 電信局では火災が起こり、通信網は大規模な障害に見舞われ、磁気観測所ではメーターの針が振り切れた。
• 米国学術研究会議（NRC）が2008年に出した報告書によると、キャリントン磁気嵐が生じた場合に米国が被る被害総額は、最初の年だけで1～2兆ドルに上り、完全復興までには推定で4～10年かかる可能性がある。
• http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=12507• 噂のAD775は年複数キャリントン程度• Usoskin+2013A&A• 今後10年間での発生確率は4‐6%• Kataoka, Space Weather, 2013

参考：これは今後10年で1%比べるにも、キャリントンの破壊力が未知数・・・

ツングースカ大爆発（1908）

23区まるごと、なぎ倒される程度の威力

過去50年最大の磁気嵐• 磁気嵐では、世界中で地磁気が乱れる。
急始！

主相＝地磁気が弱まる
主相では、何度も何度もオーロラ爆発が発生する。
http://www.kakioka‐jma.go.jp/knowledge/qanda.html

前2日間の変化

回復相＝地磁気が元に戻る

この大磁気嵐で大停電• 1989年3月13日、大規模な磁気嵐が発生し、カナダのハイドロ・ケベック(Hydro‐Quebec)社の電力システムに障害が起こり、約600万人が停電の被害にあった。

焼き切れた変圧器（ニュージャージー州）

http://www.nasa.gov/topics/earth/features/sun_darkness.html

なぜ誘導電流が流れる？
B   E
t
磁場の時間変化が作る
地表の電位分布

グランドから変圧器に異常電流が流れ込む

GIC = Geomagnetically Induced Currents

ウシ？
• グーグルアースで世界の牧草地308か所、牛8510頭を調べた結果、大半が北か南を向いており、その方位を平均すると、正確な南北よりも多少ずれている地磁気の南北に近かった。
Magnetic Cow

http://www.nature.com/news/2008/080825/full/news.2008.1059.html
http://www.pnas.org/content/early/2008/08/22/0803650105.abstract

イルカ、クジラ、ハト、ヒト？
• イルカやクジラなどの大脳には磁気センサーが発見されている– 集団座礁は磁気嵐のときに多いというケンブリッジ大の研究結果があるらしい。

• 宇宙を感じていたハト– ハト国際伝書鳩レースの開催日にたまたま磁気嵐が発生し、レースに参加した5000羽のうち、無事ゴールにたどりつけたのは5%ということがあった。

• あと私もMRIに入ったときに磁場を感じました。
– このMRIは3テスラ。地磁気は3x10‐5テスラ。
イルカとかの参照：「オーロラの科学：人はなぜオーロラにひかれるのか」上出洋介著

初期太陽の爆発的マスロス• 今のマスロスは低速風が支配的• 低速風：10‐14 M☉/yr• CME：10‐15 M☉/yr• 定常風マスロスの1割程度。

• 初期太陽のマスロスはCMEが支配的？
• CME：10‐11 M☉/yr• 頻度100倍、質量100倍から• これは定常風マスロスの10倍程度• 初期の太陽風と、暗いヤングサンパラドックス• 太陽が明るかった可能性もある・・・• Suzuki+2013

絶滅への道筋(1) Short‐lived gamma‐ray burst(2) Long‐lived cosmic rays in SNe• NOx production, O3 depletion, UV damage• Carrington SEP: Jackman et al. 2006 GRL

大フレアへの応答：覚え方(1) may be more important than (2)• Assumption: 100 times more cosmic ray
flux than present value from an SN at 10 pc• Gehrels et al. 2003 ApJ

EUV

80 km
HOx
60 km
NOx
20 km

SEP

10pc超新星の被ばくは約1万倍

Kataoka+2013

巨大分子雲と近距離超新星が最悪

Dark Cloud:1‐100 pc
10‐100 K
100‐1000 /cc
20 km/s
1% of mass is dust
Time scale is million years(a number of magnetic excursions occur)

Supernova Remnant:10‐100 pc
10‐100 MK
0.01‐1 /cc
1000 km/s
10 % of pressure is cosmic rays
Time scale is thousand years

強まる3つの槍と壊れる3つの盾• 3つの槍• 宇宙線• 宇宙塵• 紫外線• 3つの盾• 太陽圏• 地磁気• 大気（オゾン層）

「星雲の冬」仮説
超新星や暗黒星雲に太陽系が突入し、大量の宇宙線や宇宙塵によって地球環境が激しく変化する可能性がある。その痕跡を地質学的に検証していく。

Kataoka et al. (2013 Gondwana Research)
地磁気反転、大量絶滅や全球凍結、生物進化への影響、系外惑星環境の予測などに貢献

太陽活動現象が地球に与える多彩な影響まとめ• 磁気流体では近似できない粒子のインパクト• オーロラkeV電子 (Kataoka+2012; 2013)• ヴァンアレン帯MeV電子 (Kataoka+2006)• 太陽放射線GeV陽子 (Kataoka+2011)• 宇宙と地球の過去と未来に関する考察• マウンダー極小期 (Kataoka+2012)• キャリントン磁気嵐 (Kataoka+2013)• 星雲衝突 (Kataoka+2012; 2013)• 論文資料と連絡先• http://polaris.nipr.ac.jp/~ryuho• kataoka.ryuho@nipr.ac.jp