金星探査機が見た太陽風加速
今村 剛
宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所

発表論文
タイトル：”Outflow structure of the quiet Sun corona probed by spacecraft
radio scintillations in strong scattering”（探査機電波シンチレーションで観測された太陽静穏領域のコロナの吹き出し構造）
著者：T. Imamura, M. Tokumaru, H. Isobe, D. Shiota, H. Ando, M. Miyamoto,T. Toda, B. Häusler, M. Pätzold, A. Nabatov, A. Asai, K. Yaji, M. Yamada, M.
Nakamura
掲載号：The Astrophysical Journal, 2014年6月20日号
タイトル：”Radial distribution of compressive waves in the solar corona
revealed by Akatsuki radio occultation observations”（あかつき電波掩蔽で明らかになった太陽コロナ中の圧縮性波動の分布）
著者：M. Miyamoto, T. Imamura, M. Tokumaru, H. Ando, H. Isobe, A. Asai, D.
Shiota, T. Toda, B. Häusler, M. Pätzold, A. Nabatov, M. Nakamura
掲載号：The Astrophysical Journal, 2014年12月10日号

京大関係の皆様との成果

観測の特色

あかつき

電波
太陽

地球軌道

 「あかつき」と太陽と地球がほぼ一直線に並ぶ、数年に一度の貴重なチャンスをとらえた 通常の衛星通信より周波数が1000倍安定した電波を「あかつき」から送信
 太陽観測衛星「ひので」と同時観測
あかつき軌道ひので地球

超高安定発振器

太陽風（コロナ）＝太陽から吹き出す
電気を帯びた希薄なガス（プラズマ）©国立天文台太陽風
地球磁気圏に作用して磁気嵐を引き起こす
宇宙天気を支配する太陽風惑星大気に作用して大気の流出を引き起こす
過去の温暖な火星

©ESA

©NASA

ひさき

大気をはぎとられて凍りついた惑星へ太陽風（コロナ）の速度
外向き速度
500 km/s

速度400〜800 km/sという高速で惑星間空間に吹き出す
太陽の近くの速度の情報は乏しい

0 km/s太陽表面

10太陽半径20太陽半径太陽からの距離太陽風はなぜ吹くのか「ようこう」軟X線画像

高温の太陽コロナが鍵

コロナは100万度
100〜200万℃

6000℃©国立天文台6000℃の光球の上になぜ100万℃のコロナがあるのか （コロナ加熱問題）
対流層
コロナ
光球
100万℃ 6000℃

Alfven波

加熱するしくみとして、太陽表面で対流によって作られて磁力線の振動として伝わる波（Alfven波） が有力

Heating rates required to produce faststreams
観測からの制約

Cranmer et al. (2010)モデル

波による加熱？
表面での加熱：光球からコロナにかけての急激な温度上昇を引き起こす

太陽観測衛星が観測

遠方での加熱：大きな加速をもたらして高速の太陽風を作る。観測がとぼしくほどんどわかっていない。

あかつき

が観測

太陽風（コロナ）の速度と温度外向き速度

500 km/s

速度数百km/sという高速で惑星間空間に吹き出す

太陽の近くの速度の情報は乏しい
0 km/s太陽表面
温度10太陽半径20太陽半径太陽からの距離温度100万℃

太陽風を加速するために遠方まで高温を維持する加熱メカニズムが必要
6千℃
太陽表面

10太陽半径20太陽半径太陽からの距離太陽風（コロナ）の速度と温度外向き速度

速度500 km/s

ねらい①
表面近くから遠方までの数百km/sという高速で速度分布の解明
惑星間空間に吹き出す

ここを太陽の近くの速度
埋める の情報は乏しい
0 km/s太陽表面
温度10太陽半径温度

100万℃

20太陽半径太陽からの距離ねらい②
加熱メカニズムの解明

太陽風を加速するために遠方まで高温を維持する加熱メカニズムが必要
6千℃
太陽表面

10太陽半径20太陽半径

太陽からの距離えんぺい

電波掩蔽で得られる情報①受信電波の強度の変化から太陽風の速度がわかる。

②受信電波の周波数の変化から太陽風の中を伝わる波がわかる。

観測した場所
地球から見た「あかつき」の動き
距
離（単位
太陽
半径）

:

太陽

距離（単位:太陽半径）「ひので」によるX線画像

コロナ
ホール

「静穏領域」の上空を主に観測

ポテンシャル磁場

太陽風速度の観測
電波の進行方向
移動
電波源

平面波

プラズマの濃淡乱された
波面
回折パターン（地上の受信局）

臼田宇宙空間
観測所

解析手順
信号
強度

時間（秒）

シンチレーションのスペクトル解析によって速度がわかる

ス
ペ
ク
ト
ル
密度

強度変動の周波数（Hz）

電波シンチレーションのスペクトル
弱散乱（太陽から遠方）：このときの計測手法は確立されている。

強散乱（太陽近傍）：このときはこれまでは計測不可。
こういう2つの変曲点を持つスペクトルが実際に観測されたことはない。

FresnelFrequency
fFresnelColes (1977)

流速 : V = 2p fFresnel
kFresnel

Rumsey (1975)

流速 : ?

Theoretical spectrum using the formula by Rino (1979)
屈折

回折

Assumption:
Power-law density
fluctuation spectrum

k -aCharacteristic
wavenumber in weak
scattering:kchar = kdif
in strong scattering:kchar = kref kdif
kchar does not dependon the scatteringstrength.

明らかになった静穏領域上空の速度分布

速度(km/s)
太陽の西側
太陽の東側

太陽中心からの距離（単位:太陽半径）明らかになった静穏領域上空の速度分布

速度(km/s)

5太陽半径くらい離れたところから急激な加速
太陽の西側
太陽の東側

太陽中心からの距離（単位:太陽半径）明らかになった静穏領域上空の速度分布
これまでの観測（コロナホール）
速度(km/s)

5太陽半径くらい離れたところから急激な加速
太陽の西側
太陽の東側

太陽近くでは閉じた磁力線によって加速が抑えられている？

太陽中心からの距離（単位:太陽半径）

速度分布から推定した温度分布
温度(km/s)

温度
百万度

(速度
速度)
太陽中心からの距離（単位:太陽半径）太陽風の中の音波(slow wave)
磁力線

音波（密度変動）

Alfven波

Longitudinal waves produced by the nonlinear effect of
the torsional Alfven wave in a 1.5-D MHD model
Kudoh & Shibata (1999)

音波の観測電波の進行方向
移動
電波源

波面の間の距離が伸び縮み
平面波

周波数変動
（臼田宇宙空間観測所）
音波によるプラズマの濃淡

周期的な密度変化＝音波 と考えられるスペクトル解析
周波数変動
(Hz)

受信電波の変動から波のかたまり（波束）を抽出する。
2.4太陽半径20-2101

周期 (秒)

102

ウェーブレットスペクトル100
10-110-2103

10-310-405000

10000

15000

20000

25000

時間 (秒)

顕著な周期変動＝音波イベント （周期：数百秒）

波の振幅の推定
波束

周波数変動の振幅と周期··

探査機

地上局

電波経路に沿ったプラズマ
密度のコラム積分量の振幅

太陽波束の空間スケールをイベント継続時間 × 伝搬速度から推定

プラズマ密度の振幅

音波の振幅の分布
加速域で大振幅の音波
密度
変動の割合（％）

参考：
普通の会話では密度変動の割合は0.00001%くらい

太陽の西側

電車のガード下で密度変動の割合は0.01%くらい

太陽の東側

太陽中心からの距離（単位:太陽半径）数十％もの密度変動 →衝撃波を作ってガスを加熱

Wave energy fluxes and amplitudes in a
1.5-D MHD modelSuzuki & Inutsuka (2005)
エネルギーフラックス（のようなもの）

速度振幅と伝搬速度の比

Modified energy flux Sc (erg cm-2 s-1-2)
音波のエネルギーフラックス (erg cm s-1)

音波のエネルギーフラックス
510510104 410Alfven波が音波を生成してコロナを加熱する数値
シミュレーションの予想(Suzuki＆Inutsuka,2005)

33
1010102 210101 1
10West (June 6 - June 25)
East (June 26 - July 8)
Suzuki & Inutsuka (2005)

100 0101100

23

4 51010120 30

太陽中心からの距離(単位:太陽半径)
Heliocentric distance(RS)

理論的予想と傾向が良く似ている

波による加熱？
① 太陽表面の対流によってアルベーン波が作られて外側に伝わる② アルベーン波が音波を作る
音波③ 音波が壊れて熱を生み出す④ 太陽風が加速される

まとめ• 金星探査機「あかつき」が地球から見て太陽コロナの背後を通る貴重な機会をとらえて電波による観測を行った。
• 太陽の近くから遠方までの太陽風速度と波の観測データを初めて取得した。
• 太陽半径の数倍以上離れたところで太陽風が急激に加速されていることが分かった。
• その加速は、発生した音波がガスを加熱することによって起こることが明らかになった。音波は光球から伝搬してきた
Alfven波から非線形過程で生成されると考えられる。

金星探査機あかつき• 金星周回軌道から雲の下まで透視する3次元的なリモートセンシ
ングによって地球の双子星の気候のしくみに迫る– 地球に無い高速大気循環「スーパーローテーション」はなぜ起こるのか– 子午面循環はどうなっているのか– 全球を隙間無くおおう雲はどう作られるのか– 氷晶の生じない大気に雷は起こるか• 打上2010年5月（H2A）• 2010年12月に金星周回軌道投入に失敗したが、2015年12月に改めて周回軌道投入を試みる方針で太陽の周りを公転中1AU(8.3光分)投入の拡大図あかつきは金星の外側から金星に接近

地球との距離は１AUあり、地上から投入動作を制御できない

太陽－金星の平均距離＝約0.7AU
近日点で太陽－あかつきの距離＝約0.6AU
探査機は厳しい熱環境に晒される
１AUは、太陽－地球間の平均距離で、1億4959万7871キロメートル=8.3光分。

自動プログラムによるコントロール39

地球型惑星の大気大循環
極循環

地球フェレル循環
ハドレー循環

金星
？

？

偏西風

スーパーローテーション

貿易風

？

？
冬
フェレル循環タイタン
スーパーローテーション

偏西風
ハドレー循環

火星偏東風
夏多波長リモセンで迫る3次元循環

あかつき
気温・硫酸蒸気の高度
分布 (電波掩蔽)

大気光(雷・大気光カメラ
二酸化硫黄(紫外イメージャ)
雲の温度(中間赤外カメラ)
下層の雲(1mm/2mmカメラ)
風速ベクトル(雲の動きから)
一酸化炭素(2mmカメラ)
雷放電(雷・大気光カメラ)
水蒸気(1mmカメラ)

成層圏

90 km

硫酸雲

65 km
50 km

対流圏

35-50 km
10 km
地表物質・活火山(1mmカメラ)

地表面

観測計画
グローバル撮像：
高速の気流に流される雲や微量ガスの変動を3次元・連続的に撮影して動画として可視化する。また地表面のモニターを行う。
雲の層構造を横から見る

軌道周期
1〜2週間
地上局へ

クローズアップ撮像：

電波掩蔽：
大気を水平に貫く電波を地上で受信して大気の層構造をとらえる

微細構造モニター
雲の凸凹を立体視
夜側で雷発光を検出