太陽変動

太陽変動（たいようへんどう、太陽活動変動、太陽活動変調、英: Solar variation）とは、太陽からの放射量の変化を指す。
これら変動はいくつかの周期単位が存在する。最も基礎的なものとして、11年の太陽活動周期 (黒点周期) があり、典型的な非周期的変動である。
太陽活動は、ここ最近の10年間は衛星観測から、それ以前は「間接的」な変動因子から計測されていた。気候学者たちは、何らかの太陽活動変化特に地球に影響を与える変動因子を解明することに関心を寄せており、地球の気候変化に影響する太陽活動変化を「太陽の放射強制力」と呼ぶ。
全太陽放射照度 (TSI) の変動計測は、衛星観測時代以前には、計測閾値以下の変動にとどまっていたが、現在では紫外線領域の数パーセント程度の小さな変動を捕らえている。太陽全放射は、現在 (最近の11年周期・第23期) において、約0.1パーセントまたは約1.3W/m²の極大-極小変動幅を記録している。
地球大気圏の外表面で太陽放射を受け取る量の変化は、平均値1.366ワット毎平方メートル (W/m2) に比してごく僅かである。
長期間の直接計測による変化記録 (衛星観測) は存在しない。また代理変数として解釈可能な変化も近年の議論の結果、現在から2000年前まで0.1パーセント前後の幅でしかないことが判明したものの、その一方で、他の痕跡により1675年から2000年までに放射照度が0.2パーセント増加したという。太陽の活動変化と火山活動が組み合わさる効果は、マウンダー極小期のように気候変動に顕著な影響を及ぼす。
2006年、太陽活動に関する研究と、現存する研究書と出版物のレビューがネイチャーに掲載された。この報告書は「1970年代の半ばから、太陽の輝度について純増が見られず、太陽の熱出力の変化が過去400年に渡って地球温暖化に対する影響を殆ど与えていない」というものであった。しかしながら、同じ報告書の著者たちは「太陽の輝度を別にしては、宇宙線や太陽紫外線の与える気候への微妙な影響を語ることは出来ない。研究者たちにとって、これらの影響については、物理モデルの開発が未だ貧弱なために、確証を得るには至っていない。」と述べている。

太陽活動変動研究の歴史

太陽活動の変化を捉える最も古くから続く記録は太陽黒点数の変化である。太陽黒点に関する最初の記録は、中国で紀元前800年頃に行われ、日付を確認できる最古の黒点の描写は西暦1128年のことであった。西暦1610年頃から、天文学者たちは天体望遠鏡を用い、太陽黒点とその活動について観測を開始した。初期の研究は、黒点現象そのものと振る舞いに重点がおかれた。発見以来、黒点の物理学的側面については1900年に至るまで解明されなかったが、観測は続けられた。太陽黒点に基づく太陽変動の研究は、1600年から1700年の間、現在ではマウンダー極小期として知られる太陽活動低下期に差し掛かって太陽黒点数が極端に減少したことから、低迷を余儀なくされる。その後1800年代に至ってようやく太陽活動の周期性を示唆するに十分な数の黒点観測記録が揃うことになった。1845年プリンストン大学の教授ジョセフ・ヘンリーとステフェン・アレクサンダー (天文学者) は、サーモパイルを用いて太陽を観測し、太陽黒点からの熱放出がそれ以外の太陽表面よりも小さいことを突き止めた。太陽表面には、平均よりも高い放出量を示す場所白斑があることも、後の観測から見出された。
1900年頃から、研究者たちは太陽活動と地球気象の相関に付いて探求を開始した。特筆すべきものとして、チャールズ・アボットによる一連の研究がある。アボットは、スミソニアン天体物理観測所すなわちSAOに、サミュエル・ラングレーの助手として入り、ラングレーの始めた太陽定数の研究に関わって、太陽放射量の変化を見出した。(太陽定数を参照) アボットの観測チームは、太陽放射量を計測する為、1909年に計測機器の開発を行った。後にアボットが、SAO所長に就任すると、観測チームによってチリのカラマに観測所が設けられ、ウィルソン山天文台の観測を補完するようになった。これら観測からアボットは、27調和周期、7,13,39ヶ月の周期パターンが273ヶ月のヘール周期内にあることを見出した。アボットは、月単位の諸都市の気温とその統計や太陽活動の統計の間に、地球の天候に結びつくようなものを探していた。同じ頃に、年輪年代学が登場したことで、ウァルド・グロックをはじめとするような科学者たちは、樹木の生長と太陽変動周期を1000年の規模での太陽定数の長期的な変動の連関に結び付けようと試みた。
統計学的研究、すなわち太陽活動に関する気象と気候の関係について、一般的に行われるようになったのは、ここ数百年程度であり、遡って1801年に ウィリアム・ハーシェルにより、小麦の価格と太陽黒点の記録に付いて明白な関連があるとする記述がなされている。
今や彼ら研究者たちは、太陽活動変動の効果が地球の気候システムを通して伝播される詳細な過程を調査するために合成、もしくは観測された太陽活動変動に関する地上観測網、および気象衛星観測からの結果、もしくは、「既知の」気候モデルへの「はめ込み」などから集成された、高密度かつ地球規模の観測データの集合体に取り組んでいる。

ミランコヴィッチサイクル変動

日射量変動は、太陽の変化ではなく地球と太陽との距離が近づいたり、離れたりすることから生じる、または間接的に地球の存在する領域に到達する放射量の変化であるという説である (註: 地球の歳差、章動との関連。)。これらの (地球上の局部におけるもの；地球全体平均での変化はごく小さい) 太陽の日射で長期間にわたって小さくても25％の変動が発生している。近年で最も顕著な現象としては地球の自転軸の傾きが24度に達した時期、いわゆる完新世の気候最温暖期に先立つ時期おいて、極域の夏に最も太陽が近づいており (近日点)、北半球が受ける日射量が極大となっていた (ミランコビッチ・サイクル を参照のこと)。

地球と太陽の相互作用

太陽活動変動が地球に与えるであろう影響に付いては幾つかの仮説が存在する。これらの変動のうち、たとえば太陽直径の変化などによるものなどは、現在、天文学的な領域での関心事にすぎない。

太陽変動を起因とするその他の影響

太陽変動は、太陽風中の荷電粒子が太陽磁場と地球磁場と相互に影響を与えることから、惑星表面における荷電粒子と電磁場にも変動を与える。極端に突発的で烈しい太陽面現象は、電子機器に影響を与え得る。太陽磁場の弱小化は、地球大気に到達する銀河宇宙線の増加を招き、通常副次的な核種の荷電粒子が地表に到達する。これは宇宙線の変化が、地球のアルベドに影響を与える雲の特定の種類の増加を引き起こす可能性があるという推測に繋がる。

地球磁気圏への影響

地球両極のオーロラは、地球の大気、地球の磁気圏、太陽磁場、そして太陽風の間で起こる相互作用によって生じる視覚可能な現象である。太陽活動の変化はオーロラの見え方に様々な影響を与える。突発的に発生する磁気変動を磁気嵐と呼び、地球の磁場の変化を引き起こして、強烈な障害 (人工衛星、通信、長距離送電路に対する) に至る可能性がある。

太陽プロトン現象

高エネルギーの陽子は大規模なフレア現象の30分後に地球圏に到達する。コロナ質量放出は、フレア発生箇所から発生した高エネルギー粒子 (主として陽子) を地球に浴びせる。これらの荷電粒子は地球の磁力線に沿ってらせん状に進み、両極の地球上層の大気粒子に衝突し、イオンの産生と環境放射線の目だった増加を引き起すのだろうと考えられている。

銀河宇宙線

太陽表層活動の活性化 (黒点数の増加) は、太陽面から放出される荷電粒子、その殆どが陽子と電子である、すなわち"太陽風"を伴っている。太陽磁気圏、太陽風、地球の磁気圏は、銀河宇宙線 (GCR) に対する遮蔽効果を持ち、太陽活動が低下すると、銀河宇宙線が成層圏から対流圏に侵入する量は増加する。銀河宇宙線の核種は対流圏、地表から1km以上上空では最上位のイオン源である (地表から上空1km以内においては、多くの場所でラドン (²²²Ra) が主たるイオン源となる)。
過去の銀河宇宙線のレベルは、¹⁴Cおよび¹⁰Beの産生量に影響することから、間接的に記録されている。
約2300年とされるハルシュタット太陽周期は、ダンスガード・オシュガーサイクルの気候変動に反映するという。約80年～90年のグライスベルグ太陽周期は、同じ周期内に含まれる11年周期に沿った期間変動を示し、このタイムスケールに従った同様の気候変動パターンの発生が見られる。

銀河宇宙線に関する雲への効果

多くのエアロゾルに与えるイオン化量変化の影響は、雲の凝結核形成に与えられる。結論として、イオン化レベルは低層雲の凝結量のレベル、湿度、および雲のアルベドに影響を与えると考えられる。また、これらの大量の凝結核を含む雲の形成はより白く反射し、長寿命に加えて、降水量の低下を招くことも考えられる。曇りがちの天候と同時発生的な雲頂の温度の3から4パーセントの変化は、11年と22年の太陽黒点周期に関連し、同じ期間に銀河宇宙線の増加が「反・並行的」周期として現れていたという研究がある。雲が原因であるとされる地球全体に平均化した日射遮蔽量の変化は、1.5から2パーセントの範囲で見出された。また、銀河宇宙線と雲量変化についてのいくつかの研究によれば、南北の緯度50度よりも高緯度の領域においては明らかな関連性を見出しているが、低緯度域では、むしろ否定的な結果がもたらされた 。何れにせよ、現時点において銀河宇宙線に関する、すべての科学者に受け入れられるような、統計的な気候変動に関する特徴は見出されていない。これは他の太陽変動に属性を持つ現象 (例: 紫外線、総太陽放射の変動に由来するもの) の方が銀河宇宙線の変化よりも遥かに直接的なことによる
他の太陽活動の変動が様々な測定面で同時発生することと、気候システムへの反応が遅れて発生することから、太陽活動の変化に連動する銀河宇宙線の影響をそのまま気候変動などに結びつける解釈を行うことは困難である。

炭素14の生成

炭素の放射性同位体;¹⁴Cの生成量も、太陽活動に関係している。炭素14は、上層大気の窒素14が宇宙線の荷電粒子によって「爆撃」され、一般的に存在する炭素の同位体¹²Cより重い不安定な原子量14の炭素に変換することによって生成されている。逆説的ではあるが、太陽活動が活発化すると、強力な電離放射線源でもある太陽風の影響で却って宇宙線の到達量が減少するため、¹⁴Cの生成量も減少する。これは、宇宙線が太陽系外から到達する際、太陽磁気圏に沿って放射される太陽風によって部分的に排除されてしまうからだとされる。したがって、太陽活動の変化と宇宙線の強度に関連する炭素14の生成量は反比例する。
よって、大気中には、黒点数の多い極大期、¹⁴Cの存在比が少なく、黒点極小期は¹⁴Cの存在比が高くなる。樹木は成長にする際、¹⁴Cを取り込むため、冬ごとに刻まれる年輪を調べることにより残存する放射性炭素から生成量を年代ごとに計測することができる。過去10,000年に亘る記録を紐解いた結果、¹⁴Cの生成量は完新世中期の7000年前に最も高く、それから約千年掛けて減少したことが判明した。また太陽活動の変化と炭素14の生成量の長期間の傾向、また地球磁気圏の変動の影響と、生物圏における炭素サイクルの変化 (特に最後の氷河期以後の植物群の変化に関連づけられたもの) も見出された。

地球温暖化

研究者たちは、太陽活動の変動に伴う、地球の平均気温と気候の変化についての関連を－しばしば有意な効果と、そうでないもの－ を見出した。
太陽活動の変化が温暖化に対する影響があるとする研究者には、Geophysical Research Letters, 2002、によれば、 ウィリー・スーン、サリー・バリウナ、ダグラスとクレーダーを含んでいる。
IPCCは、長期間 (最近の100年) における太陽変動の規模について、IPCC第3次評価報告書のセクション6.11で、疑問を呈した。
また、リーン他 (1995年) の論文を含むさまざまな結果も示したが、何れにせよ、1995年のリーンの見積った数値は高すぎ、さらに近年のリーン他の研究 (GRL 2002,) において彼らは、
われわれのシミュレーションは、太陽活動と地球における永年の変化を示す代替的手段 (¹⁴Cや、¹⁰Beなど宇宙線由来の放射性同位体の生成量や、aa磁気インデックス) が示すことのできる、有史以前の長い期間 (すなわち、悠久の昔) に起きたであろう太陽放射照度の変化を提示するものです。...この提示は全太陽放射照度の重要な長期変動の特徴を捉えそこねているかもしれません。...太陽の気候に対する放射強制力は、総日射量を推定する再構成の実施時には無視されるような他の5つの要因によって減殺されてしまいます。これは、20世紀の温暖化を説明する一般循環モデル (GCM) シミュレーションでは、過剰に太陽放射照度変動が果たす役割を評価しすぎているのでは、ということです。これは、もちろん、11年周期を含めて、複数のタイムスケールにおける太陽の気候変動に対する役割に関して、実証的証拠が成熟していることでもあります。気候の太陽変動に対する反応は、GCMでは典型的に含まれない、気候モードの増幅におそらく関わっているでしょう。...このように、歴史的に長期の気候変動はおそらく、確率論的応答が周期の拡大を増幅することによるものであり、長期にわたる放射照度の変化に直接に関係するものではなく、太陽活動周期の (時間軸に対して) 増幅された周期を追いかけているようなものであるかもしれません。
さらに近年、既存の文献の調査そして検討が2006年9月ネイチャーに掲載され、太陽の輝きは地球の気候に与える影響側面は小さいもので、長期間に亘って続く太陽出力の顕著な変遷のようなものですらも軽視できるという証拠が確実なことを示した。
ロックウッドとフローリックは2007年に、産業革命以前の太陽の気候への影響と、太陽が産業革命以後の20世紀前半の気候変動の要因であったかもしれない決定的証拠を見出した。彼らは、ここ過去20年間以上に渡って、地球の気候に影響を及ぼす太陽の、地球温暖化に対して逆向きに示すことに付いて説明が必要となる、活動変調に付いて (知る限り) 全ての傾向を示した。
この見解に対して、スベンスマルクや、フリス・クリステンセンらが反応し議論となった。まず彼らは対流圏の大気温度の記録データに付いて、ロックウッドとフローリックたちが地上の気温データを用いたことに異議を唱え,2006年に気温が上昇したことと、宇宙線フラックスとの間の顕著な関連について否定的な見解を示している。加えて彼らは、ロックウッドとフローリックが提示し、彼らが用いた約10年間に亘るデータに付いて、それらが徐々に温度上昇を示していることを、指摘した。彼らの反応は、未だ専門家によって査読される専門誌に掲載出版はされていない。

歴史的視点

物理学者兼歴史学者のスペンサー・ワートは、『温暖化の〈発見〉とは何か』(The Discovery of Global Warming, 2003) において:
太陽黒点周期の研究は、総じて20世紀前半までに一般的になった。やがて各国政府は大量に収集した気象データを利用し、その必然的結果として太陽黒点周期と、選択的気象パターンの関連を見出すに至った。もし、イングランドでの降雨が周期中に合致しなければ、おそらくニューイングランドが嵐に見舞われるであろうといったようなことである。偉大な科学者と、熱狂的アマチュアたちは、口々に「予想に十分なほど信頼性の高いパターンを発見した」と主張をするようになったのだが、遅かれ早かれこれらの試みは全て失敗に終わった。たとえばアフリカにおける旱魃に関する信頼性の高い予測は、1930年代の黒点最小時のことだったが結局は湿潤多雨な天候になってしまい、ある気象学者は「当時、太陽黒点と気象関係の対象は論争になったこと、その結果、何人かのイギリス人の気象学者のなかで最も尊敬された上司が面目を失った」ことを記憶していた。1960年代に至っても彼は、「若い "気候研究者" のお笑い草となる太陽活動と気候の関係についての意見の表明とは、まさに自らに奇想家のレッテルを付けることそのものでした。」と述べていた。
The study of [sun spot] cycles was generally popular through the first half of the century. Governments had collected a lot of weather data to play with and inevitably people found correlations between sun spot cycles and select weather patterns. If rainfall in England didn't fit the cycle, maybe storminess in New England would. Respected scientists and enthusiastic amateurs insisted they had found patterns reliable enough to make predictions. Sooner or later though every prediction failed. An example was a highly credible forecast of a dry spell in Africa during the sunspot minimum of the early 1930s. When the period turned out to be wet, a meteorologist later recalled "the subject of sunspots and weather relationships fell into dispute, especially among British meteorologists who witnessed the discomfiture of some of their most respected superiors." Even in the 1960s he said, "For a young [climate] researcher to entertain any statement of sun-weather relationships was to brand oneself a crank.