NIFSユニット構築セミナー
July 7, 2021

核融合研究と宇宙地球環境研究～分野を超えること繋ぐこと～
草野完也
名古屋大学宇宙地球環境研究所 (ISEE)

2021/7/7

Outlook


何を研究課題に選んだか（私の場合）

天文学から、プラズマ核融合・雲・宇宙地球環境科学

宇宙地球環境研究と核融合プラズマ研究①突発現象の予測

突発現象（太陽フレア、ディスラプション）、宇宙天気予測②乱流と構造

乱流・マルチスケール（太陽対流層・ダイナモ、ゾーナルフロー）③波動粒子相互作用


地球放射線帯、オーロラ粒子、太陽高エネルギー粒子

④境界領域


（地球）電離層、（太陽）彩層、ダイバータプラズマ⑤同位体科学

何を研究課題に選ぶか（私のまとめ）自己紹介を兼ねて（私の変遷） ①北大：理学物理「宇宙物理とプラズマ物理の基礎」
池内 了先生

西川恭治先生佐藤哲也先生②広島大学 学位取得
核融合理論研究センター（HIFT）「核融合プラズマ」「シミュレーション科学」- RFP & ULQの自己組織化機構- 磁気リコネクション- ダイナモ

③JAMSTEC
地球シミュレータセンター「雲」

雲の物理学 (cloud physics)
雲微物理

大気流体力学(cloud microphysics)

10000Km

水滴の個数
n~102~103/cc

凝縮蒸発

衝突併合分裂

熱運動量
水水滴運動

核生成

（分子動力学） 10-9m

雲の水滴半径1∼100µｍ
一個の雲の中にはn(1km)3~1017~1018

マルチスケール問題
多自由度（高次元）問題
従来の雲モデル*バルク法 （多流体モデル）*ビン法 （粗いブラソフモデル）

降雨

海塩(NaCl), 硫酸塩, 有機炭素, 黒色炭素, 硝酸塩, 等
エアロゾル 気相との化学反応、氷晶(雪, ひょう, あられ)への相変化 ,帯電過程等々-610 m超水滴モデル（世界初の粒子ベース雲モデル）
超水滴モデル

大気モデル
Dv

= −∇P − ( ρ + ρ w )g + λρ∇ 2 v,
ρDt
運動量P = ρRd T ,DθL=−S v + κ∇ 2θ ,Dtc pΠ

熱particle incellDρ= − ρ∇ ⋅ v,DtDqv= Sv .
Dt水蒸気Sv =「同様の属性を持つ十分に混合された複数の水滴の集合を表現する仮想粒子」
実水滴

超水滴

位置ｒ、速度ｖ、半径R、凝結核の質量と化学種M、電荷ｑ、多重度ｎddρw =ξ i midt
dt 各セル毎の超水滴の和∑

水滴運動論、衝突併合、凝結成長（エアロゾル効果）
Shima, Kusano et al. 2009

衝突併合はモンテカルロ法積雲生成のエアロゾル数密度依存性
more aerosol
降水量

less aerosol(107)

N a = 108 m −3less aerosol

more aerosol8(108)

10

エアロゾル数の違いによる降水量の違い

24

N a = 10 7 m −3

Shima, Kusano et al. 2009

自己紹介を兼ねて（私の変遷） ①北大：理学物理「宇宙物理とプラズマ物理の基礎」
池内 了先生

西川恭治先生佐藤哲也先生②広島大学 学位取得
核融合理論研究センター（HIFT）「核融合プラズマ」「シミュレーション科学」- RFP & ULQの自己組織化機構- 磁気リコネクション- 太陽フレアの発現機構- MHDダイナモ③JAMSTEC
地球シミュレータセンター「雲」④名古屋大学
宇宙（太陽）地球環境研究所「宇宙地球環境の変動予測研究」「太陽物理学・宇宙天気」

http://www.stelab.nagoya-u.ac.jp/

ひとつのシステムとしての地球・太陽・宇宙の理解を通して地球環境問題の解決と宇宙にひろがる人類社会の発展に貢献する。

【ミッション】 地球・太陽・宇宙を一つのシステムとして捉え、そこに生起する多様な現象のメカニズムと相互作用の解明を通して、地球環境問題の解決と宇宙に広がる人類社会の発展に貢献する。
・2015年10月に太陽地球環境研究所、地球水循環研究センター及び年代測定総合研究センターを統合し、発足。
・文科省共同利用・共同研究拠点

太陽活動

多様な分野融合を通した「専門研究の進化」と「新分野の開拓」

①突発現象の予測

様々な突発現象「予測」と「理解」のフィードバック
太陽フレア
 トカマク・ディスラプション
理解予測 LH遷移失敗した予測こそ新しい科学 雪崩、土砂崩れ（理解）への扉
 地震（天王星の軌道予測のずれから海王星の発見）
 台風の急速成長
 超新星爆発、GRB
 大恐慌
核融合と宇宙プラズマの予測研究から
 戦争
幅広い予測科学(predictive science)を目指す宇宙天気（宇宙環境変動）とその社会影響

黒点

太陽地球圏環境の変動と社会影響新学術領域研究 (2015.4-2020.3)

太陽地球圏環境予測（PSTEP）

我々が生きる宇宙の理解とその変動に対応する社会基盤の形成

2021/
7/7

The largest flare in the solar cycle 24
Solar flareCoronal Mass Ejection (CME)従来のフレア予測（経験的予測）フレア発生機構は十分に解明できていないため、これまでのフレア予測は黒点や強磁場領域の大きさや形状と太陽フレアの経験的な関係に基づいて行われていた。
太陽黒点のMcIntosh分類

黒点面積及び活動領域のMount Wilson分類とフレア規模の統計的関係
Sammis et al. 2000 ApJ

活動領域のMount Wilson分類

X10

M1
C1

McIntosh 1990

予測
発生
予測
非発生

フレアの規模

X1

観測
発生

観測
非発生

50

675231315

Nikbakhsh+ 2019

B1

予測率：49% (~50/102)
擬陽性率：57% (~67/117)

米国NOAAの第23太陽周期におけるXクラスフレア予測結果

A1
small sunspot

黒点の面積

big sunspot

15機械学習による予測パラメタの探査（Bobra & Couvidat, 2015)
Support Vector Machine(Cortes & Vapnik 1995)による
フレア領域と非フレア領域の磁場パラメタ分離フレア発生の物理モデル（駆動型不安定性）


Double-Arc Instability Model (Ishiguro and Kusano 2017 ApJ) eruption
overlying flux

overlying flux

twist flux

twist flux

(poloidal flux)(poloidal flux)rc

flare ribbons

critical radius
Trigger-reconnection（tether-cutting reconnection)
Moore+(2001)

Double-Arc Instability

Onset of Flare(triggered by the small reconnection)

The critical conditionof D/A instability

magnetic twist𝜅𝜅 =∫𝑟𝑟 𝑇𝑇𝑤𝑤 𝑑𝑑𝜙𝜙𝑐𝑐

ф𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜

twist flux

> 0.1

overlying magnetic flux

magnetic twist

𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓
𝑇𝑇𝑤𝑤 =𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓17κ –schemeによる予測の統計的検証
Group 1: Non-flaring regions

Group 2: Flaring regions

・198 largest sunspot regions in solar cycle 24
・No large flare > X2 occurred for 20 h after the observation
・Data when the region was on the central meridian.

・The seven active regions that produced allflares of class X2 or larger within solar latitudes±50°during solar cycle 24.

flare predictive

臨界半径

臨界半径

Kusano et al. 2020, Science
DOI: 10.1126/science.aaz2511

flare predictive

解放可能エネルギー
exceptional

Six out of the seven flaring regions(the only exception being AR 12192)
satisfied the conditionrc < 1 Mm and Er > 4 × 1031 erg
before their flares.

予測率～80%
擬陽性率～数%19

フレア発生の精密位置を予測

Sub-critical Bifurcation
unstablestableunstablecritical state

unstable

亜臨界不安定性
c.f., Lasur, Itoh, Ido et al. 2016 PRL（EGAM burst）

state parameter(e.g. free energy)

②乱流と構造

太陽周期（400年間の謎）

太陽面磁場の変化

黒点数は約11年周期で増減（シュワーベ周期）
磁気極性は毎周期反転（ヘール周期）

複雑な小スケール乱流対流から何故、大スケール磁場が秩序をもって形成されるか？
Hotta, Iijima, & Kusano
2019 Sci. Adv.

ガリレオの黒点スケッチ（1613年）

ダイナモモデル
赤道加速によるΩ効果（磁力線の引き延ばし） 磁気浮力による黒点形成とコリオリ力による磁束の捻じれ
日震学による太陽内部
 子午面循環による磁束輸送の回転速度測定結果


http://www.leibnizkis.de/en/research/the-sun/structure/（近々発表予定）「富岳」による超精密計算にて再現成功
小スケール磁場の非線形フィードバック効果
トロイダルプラズマにおける帯状流との共通性

近い将来、太陽周期の第一原理計算が実現する可能性大【ガリレオ以来の400年の謎の解明】
https://www2.hao.ucar.edu/hao-science/sun-dynamo-0太陽・太陽圏包括モデルの試み
惑星間空間CMEモデル（SUSANOO）(Shiota et al. 2014 Space Weather)

惑星磁気圏
社会基盤 宇宙天気（人工衛星・ 擾乱現象

フレアトリガ臨界半径（Mm）

電力網等）

CMEの形成と惑星間空間伝搬

大型フレア予測領域

太陽大気 MHD不安定性と（コロナ・彩層）
解放可能エネルギー (erg)

世界初のフレア物理予測（κスキーム）(Kusano et al. 2020 Science)

太陽表面(光球面)

表面運動による活動領域変動

フレア発生- 恒星対流層から惑星間空間までを包括した
太陽面爆発現象の理解と先進予測の実現【科研費基盤A】 代表：草野完也- 太陽活動と惑星環境変動の解明【富岳成果創出加速プログラム：サブD】 代表：草野完也

太陽の内部（対流層）と外部（コロナ・太陽圏）を結合した包括モデルを開発することで、黒点形成（対流・ダイナモ）とフレア・CME活動の物理的関係を解明する。
太陽表面磁場データを境界条件としたデータ駆動フレアシミュレーショ
・早期予測：黒点形成初期に巨大フレアの発生をン
活動領域モデル(Kaneko et al. to be submitted)

予測できるか？

・べき乗則：フレアの規模頻度分布はなぜ、べき乗
太陽内部磁束上昇による黒点形成

デルタ黒点形成シミュレーション（R2D2モデル）(Hotta & Toriumi 2020 MNRAS)

・最大フレア：太陽で発生し得る最大フレアの規模と頻度は？

（対流層）対流乱流ダイナモによる磁場生成則に従うのか？

世界最高精度の太陽全球ダイナモシミュレーション（AMaTeRAS）(Hotta et al. 2016 Science)

核融合統合シミュレーションの試みとの共通性

③波動粒子相互作用


地球磁気圏と放射線帯エネルギー階層：数eV~数十MeV

ジオスペース探査衛星「あらせ」（ERG）
放射線帯の変動機構の解明
ISEE統合データサイエンスセンター「ERGサイエンスセンター」
名大ISEEとJAXA宇宙研の共同運営

NIFSとの共同研究の提案（ISEE三好教授）
1. 磁気圏と室内実験における波動粒子相互作用

磁気圏（ミラー型磁場）：「あらせ」衛星の観測 周波数変調型の波動励起、波動と粒子のエネルギー交換過程の直接計測、相対論的電子加速、電子・イオン散乱の観測
実験室（ミラーマシン）： 周波数変調するホイッスラー波動の励起
UCLA Large Plasma Device (LAPD)
あらせの観測実験室

EMIC波動の励起

コーラス波動の励起
プロトンから波動へのエネルギー授受量
Shoji+, Sci. Rep. 2021

2. アルフベン波、アルフベン乱流によるオーロラ電子加速

磁気圏：「れいめい」衛星 Dispersive Alfven波によるオーロラ電子加速
実験室：Alfven波によるオーロラ電子加速
れいめいの観測
アルフベン波による電子加速

Compernolle, Gekelman+, 2015, PRL(次期オーロラ衛星FACTORSを提案中）

Inverted-V

実験室

Alfven波による加速

アルフベン波による電子加速

オーロラ光学発光

オーロラ渦度の分布
Chaston+, JGR, 2011

Schroeder+, 2021 Nature Com.

④境界領域（完全電離・部分電離プラズマ結合）太陽（彩層-コロナ結合）

地球（磁気圏・電離系結合）



核融合（ダイバータプラズマ）

オーロラ電流系のジュール加熱→ 大気膨張→ 空気抵抗の増加→ 人工飛翔体の落下

スピキュール（ひので衛星観測）

ジュール加熱の定量的見積もり
イオンと中性大気の衝突断面積などの原子分子素過程の知見が必要。
→ 核融合研の知見とデータベースは重要（ISEE家田助教）

滝塚（1990）⑤同位体科学（地球環境科学との協同研究）
大気圏-水圏-生物圏をつなぐ水素同位体環境挙動・循
環研究協力（ISEE栗田准教授）
・NIFSトリチウム分析技術

宇宙線生成核種(宇宙線起源核種)

長距離輸送

HD16O

3H(T), 7Be, etc

HD18O

HTO
水蒸気状??
??

・ISEE水輸送モデル（トリチウムの全球分布計算可能）

NIFSにおける環境生物研究の目的

太陽活動など(宇宙線量の変動)

CH3T
炭化水素状

核融合施設
原子力施設

トリチウム環境挙動・生物影響研究:• トリチウムや低線量の生物影響研究(大学・研究機関と共同研究を通じて推進)• 環境中トリチウム挙動研究: 施設周辺(局所)

降雨・降雪

HT(HD)
分子状 大気圏

H, D,T

核融合炉から定常放出されるトリチウムの環境挙動・生物影響の総合的理解

H2O

水圏

HD16O

HD18O

HTO
呼吸

• 環境水中トリチウム挙動・循環の理解• 植生・生物中有機結合型トリチウム分析手法の確立とその挙動研究• 大気中トリチウムの挙動や、分子状/炭化水素状トリチウム起源の探求(16, 18O2, 12, 13CO2, 2, 3H2O)

HTO

生物圏
有機結合型OBT(OBD)
人

人体への取り込み(トリチウム生物影響)

HD16O
光合成(有機物生成)

食物・穀物

根幹吸収

• 水素同位体環境挙動・循環研究への相互協力:

河川

HTO
HDO

宇宙地球環境研究所への期待

地下水• 安定同位体を含むマルチトレーサーによる環境物質循環の議論・解明• 大気圏-水圏-生物圏をつなぐ大局的な観測と環境研究の相互協力• AMSなどによる同位体・元素組成分析

何を研究課題に選ぶかやりたい研究（科学的興味）やるべき研究（使命感）

他の人はやれないと思っているけどやれる（と自分は思える）研究（実現可能性）

やらなくてならない研究（組織のミッション）