講義の内容• 変動する太陽と太陽のダイナモ– 「ひので」の観測結果から– 太陽の短時間変動（1秒～1年）• 最近の太陽は異常か？
– 太陽の中時間変動（10年～1万年）– イントロダクション：変動する太陽– 太陽ダイナモ：標準理論とその矛盾– 最近の太陽活動について：最新の観測結果– 最近の太陽活動とダイナモ– 地球環境への影響？

• ４６億年の太陽史– The Faint Young Sun Paradox– 天文学的解決– 46億年間の太陽ダイナモ

2010/2/22-241変動する太陽と太陽のダイナモ

第１０回 森羅万象学校「太陽の変動性と地球・惑星」
2010 年2月22-24日
北海道 支笏湖

常田佐久（国立天文台）2010/2/22-24

2

A rotating solitarystar has intense
magnetic fields

Rotation of the Sun
Convection inside the Sun
2010/2/22-24

3

2MK Solar Corona asobserved with Hinode2007 Oct. – 2009 Apr.

2010/2/22-24
4

Gigantic solar flares due toannihilation of magnetic fieldobserved withYohkoh satellite

2010/2/22-24
5

2010/2/22-24

another way to launch mass tointerplanetary space. 4.4 billion
years ago, x300 powerful CMEs
may dominate gentle solar wind.

Ｃoronal Mass Ejection (CME)

Hinode Soft X-rays
9 April 20086

Radio•Why do we go to
space in solar physics?6000K

・Opaque atmospherein UV and X-rays
・Severe atmosphericseeing effect even withadaptive optics

Observations fromspace have been
inevitable in solar
astronomy since thedawn of space age!
2010/2/22-24

IRvisible

UV-EUV

100 MK Soft X
Frequency (Hz)Hard X
Gamma-rayWavelength (m)7Importance ofSolar Research from Space• The Sun is the only astronomical object
that can be resolved, and is a laboratory ofastrophysical phenomena related tointerplay of plasma and magnetic field. We
address fundamental questions such as– How is intense solar magnetic field
generated and transported?
– How is the magnetic energy converted tocreate X-ray corona, flares and eruptions?
2010/2/22-24

8

JAXA-NASA-UK-ESA HinodeSolar Optical
Telescope（SOT）

EUV Imaging
High spatial resolution forSpectrometer（EIS）
vector magnetic observations
Observe plasma motion such as jets
Hinode mission objective:
Systems approach to understandgeneration, transport and ultimate
dissipation of solar magnetic fields with
3 well-coordinated advancedX-ray
telescopes.
Telescope（XRT）
1-10MK X-ray corona

2010/2/22-24

9Orbit: Polar Sun SynchronousRole of Magnetic fields
in Stars and Cosmos and Hinode
The best analogy of cosmic magnetic
field is rubber band!
• Magnetic fields are created by interaction of flow
and fields (dynamo process)• Carry energy through waves• Store energy• Dissipate stored energy with annihilation of antiparallel magnetic field• Induce MHD instability and eruptions• Suppress cross-field transport for mass and heat
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10• Suppress convection i.e. energy transport

2010/2/22-24

11

Emergence of magnetic
field from inside the Sun

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12

2010/2/22-24

Disintegration ofsunspot due to attackby convection motion

2,000 km13

2010/2/22-24

14

Magnetic fields frozen to plasma• Plasma cannot
move acrossmagnetic field.
• Magnetic fields
moves withplasma andmagnetic fieldlines are stretched(i.e. amplified).
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Magnetic field

GalaxyDifferential rotation
15of the Sun

Global dynamo
generating sunspots

16

Kinetic
EnergyMagnetic
Energy• Differential rotation stretches and amplifies
East-West directedmagnetic field.
NorthNorthNorth

SouthSouth

Magnetic
Field*

South

Rotation
velocity ofSun

2010/2/22-24band!
* cosmic magnetic field is rubber

magnetic field
emerges tosurface forming
sunspotsToo-strong Magnetic field in the Universe
How does Universe create such strong fields?
•••
•
••

Early universe: 10-15G?
Galaxies and Clusters of Galaxy: 10-6 G
Late type stars 103G
Bottom of convection zone 105 G
Pulser 1012G
Magnetor 1015 G

needs
dynamoDynamo inside the Sun can amplify themagnetic
fieldsCompression and fossil
Be2
1
Kinetic
Magnetic
needs
dynamo
28



2



EnergyEnergyAnd
the magnetic energy is used to create the corona! 17
2010/2/22-24

2MK Solar Corona asobserved with Hinode
during solar minimum2007 Oct. – 2009 Apr.

2010/2/22-24
18

2010/2/22-24
19Zoom-up view of thecorona: Quiet Sun is
not quiet!

Where are we looking at?
Photosphere and corona
Temperature (K)X-rayVisible
Phtosphere

ChromosphereCorona

Size of granules

2010/2/22-24

Height (km)

20

21

Hinode movies of
Photosphere with Visible Light
Solar surface seen in visible light1391000km

20000 km2010/2/22-24

Paradigm: Magnetic Field isvertical to surface• Strong kG
magnetic fields• Slender flux
tubes seen inbetween
convection cell

2010/2/22-24

22

23

Hinode discovery of horizontal field
A new form of solar magnetic field
Convection and horizontal field

1391000km

20000 km

Yellow: strong
horizontal field

2010/2/22-24

24

Ubiquitous
horizontal field
Wherever convection, horizontal fields exist

120000km

2010/2/22-24

250000km

25

Hinode movies of horizontal field
4000 km

20000 kmConvection pattern

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Yellow: horizontal field
Green: vertical fieldNew magnetic creature in the Sun
has energy much larger thansunspots and vertical fields

2010/2/22-24

26

27

Discovery of New Dynamo Mechanismwith Hinode
Horizontal fields

Sunspot• Differential rotation ofSun amplifies magneticfield
北極Magneticfield南極Rotation
Energy

北極

北極

南極

南極

Magnetic
EnergyKnown mechanism• Convection motion ofplasma amplifies
magnetic field

Convection cell

Convection
Energy1000kmMagnetic field

Magnetic
EnergyNewly discovered

2010/2/22-2428

初期太陽の活動性を担っているのは？

• グローバルダイナモの作る黒点と活動領域か？
• 乱流局所ダイナモの作る水平磁場か？
は自明でない。

2010/2/22-24

Where are we looking at?
Photosphere and corona
Temperature (K)

X-ray

2010/2/22-24

VisiblePhtosphere

Chromosphere

Height (km)Corona29

Chromosphere more dynamic than expected!

Chromospheric jets and fountaindriven by magnetic force

2010/2/22-24

302006 Dec 17 20:00-21:00 UT CaII H broad band filter images taken with Hinode/SOTWhat is going on in polar region ?
Source of fast solar wind
Location of global poloidal fields
sink of meridional flow
High speed solar windobserved with Ulysses
satellite

Unexpected high coronal
activity in polar region
Hinode X-ray Telescope

2010/2/22-24

31

32

「ひので」と従来の観測装置による北極域観測画像の比較
２００７年９月７日 太陽の北極付近の磁場分布画像
白：N極 黒：S極

太陽の縁

SOHO衛星 MDI
空間分解能２秒角

太陽の縁「ひので」衛星 可視光・磁場望遠鏡
空間分解能 ０．２秒角「ひので」衛星搭載の可視光・磁場望遠鏡の2010/2/22-24
空間分解能がなければ、極域の構造は分解できない。

今回の発見以前の太陽磁場の描像とコロナ

33（緑色の破線は、磁力線を示している。）
極域からの磁力線は、宇宙空間へ向かう。

弱いＳ極の磁場で埋め尽くされている北極付近黒点からの磁力線は、周囲の逆極性の磁場とつながっている。

宇宙空間へ向かっている磁力線は、X線で暗い。

太陽X線画像でみえる縞模様は、磁力線（磁気ループ）を示している。

弱いN極の磁場で埋め尽くされている北極付近

極域からの磁力線は、宇宙空間へ向かう。

2010/2/22-24太陽表面での磁場分布（白：Ｎ極，黒：Ｓ極）

Ｘ線で見る太陽（コロナを見ている）

34「ひので」可視・光磁場望遠鏡で得られた
太陽の南極付近の磁場分布画像

２００７年９月２５日の太陽南極の磁場強度分布画像• 色が磁場の強度（黄/赤：磁場強い，青/緑：磁場弱い）を示しており、強い斑点状の磁場が極域に点在している事がわかる。
2010/2/22-24

35

南極上空から見た極域磁場
70°
75°
80°

緯度85°

太陽の南極点

この図は、下図の様に南極上空から観測したように、座標変換した画像。
北極

か太陽
南極

2010/2/22-24

点在する極付近の強磁場斑点（白い破線の円が、強磁場斑点を示している。）

70°
75°
80°

緯度85°

太陽の南極点2010/2/22-24

黒点の大きさ36

強磁場斑点の拡大図

37

黒点の様に丸くなく、いびつな形をしている

2010/2/22-24

38

極域の斑点強磁場と黒点の特徴
極域の強磁場斑点

黒点（活動領域）

発生領域

北極および南極付近

中緯度帯（緯度４０°以下）

磁場強度

１０００ガウス程度

１０００ガウス以上

大きさ

約４千km

４万〜６万km以上

黒点の１０分の１以下

磁場の極性

北極と南極によって極性が異なるが、同じ極域では、一方の極性しか現れない。

多くの場合、N極とS極の両方が一緒に現れる。

寿命

約１０時間

数日〜数ヶ月2010/2/22-24磁場はフラックスチューブ

2010/2/22-24

39

40

強磁場斑点から伸びるラッパ状の磁力線

太陽表面
強磁場

極域強磁場から伸びる磁力線の模式図（色は、太陽表面の磁場強度を示し、白い線は磁力線を示している。緑の円は、一部のラッパ構造を示している）• 強磁場斑点から伸びる磁力線は、ラッパの様に高度と共に広がっている。
2010/2/22-24

今回の発見による太陽磁場像の変化
新たな太陽磁場の描像

今回の発見以前

弱いＳ極の磁場で埋め尽くされている南極付近

41

小さく磁場強度が黒点と同程度のＳ極磁場斑点が点在。

今回の発見
による変化
強磁場斑点からの磁力線は、特に表面付
近でラッパ状の形をしている。

弱いN極の磁場で埋め尽くされている北極付近2010/2/22-24

小さく磁場強度が黒点と同程度のN極磁場斑点が点在。

太陽周期の謎

太陽磁場の増幅に対する極域強磁場の意
義• 「ひので」の観測以前
極域で観測される弱い磁場では、太陽内部で増幅されても、黒点を作る程度の磁場強度まで達しない。
• 「ひので」による発見からの示唆
極域強磁場が次のサイクルの黒点を作る種磁場であれば、太陽内部で増幅されて、黒点が作れる程度まで磁場が増幅される。
今回の発見は、現在考えられている太陽内部で磁場増幅するメカニズムが成り立つ可能性を示している。
2010/2/22-2442

43

高速太陽風の加速表面からコロナへアルベン波を通す強磁場斑点•

高速太陽風は、アルベン波によって加速する説が有力であるが、太陽表面で発生したアルベン波がコロナに伝わらないという問題を抱えていた。
これまでの描像

コロナ
彩層
太陽表面で発生し、上昇するアルベン波

太陽表面

•

彩層とコロナの境界でアルベン波の速度が急激に変化し、アルベン波のほとんどが反射されてしまう。

弱い磁場で埋め尽くされている表面

磁力線

磁力線

今回の発見による描像

磁場が急激に開くことにより、アルベン波の速度の変化を抑制し、アルベン波の反射を防いでいる。

コロナ彩層

太陽表面
強磁場斑点

強磁場斑点とそのラッパ状の磁場形状は、アルベン波がコロナと彩層の境界での反射を防ぎ、彩層からコロナへアルベン波を運ぶ、トンネルの役目を果たす。
2010/2/22-24

「ひので」極域観測による今後の展開• 極域磁場は、数年後の極大期付近で反転する。

この反転時に極で何が起きているかを、「ひので」で観測し、太陽周期の解明を行っていきたい。
2010/2/22-24

44

Polar Spicule
Narrow jets driven by magnetic field

2010/2/22-24

45

Spicules, coronal rains, andprominence

2010/2/22-2446

Waves along magnetic field line
carry huge amount of energy
potentially accelerating solar
wind and heating corona

Energy transportand heating via wave

Annihilation of magnetic fields
called magnetic reconnection

Magnetic fields

heat
heat

Magnetic fields

heat

heat
heat

heat

heat

heat

How is corona
heat heated? Twopossibilities
gas

Alfven wave
2010/2/22-24

47

Enigmatic
prominence
Prominence is acool andheavy material in
the corona
supposed to besuspendedby magnetic fields
In the corona.
CaII-H (ionizedCalcium)

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48

10 years of X-ray Sun
from 1992 September to2001 December

2010/2/22-24
49

Extended solar minimum
Hinode X-ray corona
2007 Oct. – 2009 Apr.

2010/2/22-2450

NOAA predictions updated
multiple times to cope withlong solar minimum
Sunspot number and prediction by NOAA

Next solar max was predicted to be October, 2011
NOAA latest
by NOAA, and will be 2013-2014(?). The period
ispredictions>12.5 year longer than nominal 11 year.
Sunspot numberhinodeDec. ２００６

HinodeNov. ２００８

Last update byNOAA
2009 May

YohkohDec. ２００１

2010/2/22-2451

Summary of observations
indicating unusual low solaractivity• Longer solar cycle (> 12 yr 6 month)• Cumulative no-sunspot days is close to that of 100years ago.
• New sunspots in northern high latitude appeared muchearlier, while those in south appeared recently.
• Total solar luminosity may be lower as compared withthose in the past two minimum.
• Polar magnetic flux is half of the previous value.
• Unusual solar wind distribution in heliosphere• Lower solar wind pressure• Highest cosmic ray flux in past 45 years
2010/2/22-24

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Sunspot number

Cold spells vs. Grand solar minima
60 Observed sunspot data
Reconstructed data (C14)40
200-4000-3000-2000-1000

010002000Years -BC/AD

Sunspot number reconstruction (Usoskin et al., 2007) as wellas known climate shifts in Europe to cold/wet conditions(Versteegh, 2005) for the last 6500 years:
14 cold spells – vs – 15 Grand minima  12 coincide

Usoskin, I.G., G.A. Kovaltsov, Cosmic rays and climate of Earth: Possible connection,
Compt. Rend. Geosci., 340. 441-450, 2008

Are we about toenter grand-solar
minimum?
“Sports on a Frozen River”
by Aert van der Neer
Courtesy: The Metropolitan Museum of Art

little ice age
ΔT～0.6 degree lower

Combined data set suggest that we may have low activity
2010/2/22-24
54
comparableto the Dalton Minimum.

Influence to the Earth?

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55

Courtesy NASA

Influence to the Earth?
• The Sun has profound influence to our climate, life andcivilization:– Space weather: Short term effect of solar activities tohuman activities in space and on Earth– Space climate: effect of solar cycles to Earth climate– Faint young sun problem and origin of life on Earth• Only through long-term observations and basic
research from space and ground, we are able topredict the future activities of the Sun.
• Hinode continues to monitor critical polar regions.

2010/2/22-24

56

Courtesy NASA

Contact
Saku Tsuneta
saku.tsuneta@nao.ac.jp
Hinode Science Center
http://hinode.nao.ac.jp/index_e.shtml
National Astronomical Observatory of Japan
http://www.nao.ac.jp/E/index.html
Osawa 2-21-1, Mitaka
Tokyo 181-8588, Japan
81-422-34-3720(office), 3700(Fax)
2010/2/22-24

57

参考文献
• Usoskin and Kovaltsov(2008), Comptes
Rendus Geoscience, v. 340, iss. 7, p. 441450.
• Usoskin et al.(2007), Astronomy andAstrophysics, Volume 471, Issue 1,August III 2007, pp.301-309