連結階層シミュレーションアルゴリズムの開発

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ふじよしすえがら
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1 理系大学生のための太陽研究最前線体験ツアー 2014 年 8 月 25 日宇宙天気と宇宙気候太陽活動を予測する名古屋大学太陽地球環境研究所名古屋大学理学研究科素粒子宇宙物理学専攻太陽宇宙環境物理学 (SST) 研究室草野完也

2 包括的な太陽圏システムの変動 1 宇宙天気研究短期的な宇宙環境変動数分 ~ 数十日 2 宇宙気候研究長期的な宇宙環境変動数か月 ~ 数十億年コロナ彩層太陽風光球太陽圏太陽ダイナモ 2014/8/25

3 宇宙天気と宇宙気候宇宙天気 (Space Weather) 短期的な太陽活動 ( 特にフレア及びコロナ質量放出 ) に伴って発生する地球と地球周辺宇宙空間の環境変動オーロラ嵐磁気嵐デリンジャー現象プロトンイベントなど宇宙気候 (Space Climate) 長期的な太陽活動の変化 ( 黒点周期やその変動 ) に伴って発生する地球と地球周辺宇宙空間の環境変動気候変動大気成分変化大気散逸など

4 太陽コロナ磁場 4

5 磁場の強度とエネルギー 10-1 地磁気 10 0 太陽磁場 10 2 太陽黒点ネオジム磁石世界最強超電導マグネット世界最強パルス磁場装置 Gauss E = B 2 2 µ 最大水爆数 10~100 万個分 5 0 L 黒点磁場のエネルギー ~10 25~26 J 3

6 太陽フレア太陽黒点の磁場のエネルギー最大水爆 100 万個相当太陽

7 フレアに伴う X 線電波電子流束

8 8

9 太陽太陽地球結合システム地球 MHD シミュレーション ( 田中 NICT) 太陽フレアから発生した衝撃波と巨大な高温ガス ( プラズマ ) が惑星間空間を伝播する 9

10 太陽地球結合系 10

11 11

12 12

13 太陽嵐の影響 ( 宇宙天気擾乱 ) オーロラケベック州大停電 (1989) 衛星故障 GPS 障害通信障害被曝

14 放射線医学総合研究所保田浩志博士提供 14

15 キャリントンフレア (1859 年 9 月 1 日 ) Richard C. Carrington 太陽フレアの発見 15

16 キャリントンイベントオーロラ Green & Boardsen 2006 AdSR 2014/8/25

17 過去 400 年の太陽フレア McCracken et al /8/25

18 太陽型星の超巨大フレア前原柴山ら ( 京都大学 ) Nature 2012 西暦 774/775 年における宇宙線増加の痕跡三宅ら ( 名古屋大学 ) Nature 2012 フレアからの日数スーパーフレアの想像図太陽フレア

19 巨大フレアによる被害と影響巨大フレア (1989 年 3 月 13 日 ) キャリントンフレア (1859 年 ) スーパーフレア ( 巨大フレアの 100~1000 倍 ) 放射線 ( 航空機内の推定値 ) 地磁気嵐 4mSv 20mSv 400~ 4000mSv? 540nT ( 全米でオーロラ ) 1760nT ( 赤道帯でオーロラ ) 5000~ 15000nT? 社会への影響ケベック州大停電電波通信障害気象衛星故障衛星放送停止 ( 被害総額数 100 億円以上 ) 電信局の火事 > 今起きたら中高磁気緯度の大停電多くの衛星の故障地球規模の通信障害 GPS 故障 ( 被害総額 1 兆 ~2 兆ドル ) 地球規模の大停電オゾン層破壊全衛星の故障地球規模の通信障害全航空機飛行停止船舶運航停止 GPS 停止 IT インフラの破壊

20 フレア爆発のトリガ問題いつどこでなぜどうやって発生するか? 光球面彩層 Hinode/SOT

21 太陽フレアの特徴黒点の近傍カスプ状ループ 2 本のリボン飛び出すプラズマ京都大学浅井博士提供

22 太陽フレアのメカニズムは? 磁気リコネクション (Re-connection) 正極黒点負極黒点磁気中性線磁力線のカスプ状ループプラズマの放出つなぎ換え & 2つのリボン & リボンの伝播

23 太陽面爆発のトリガとなる磁場構造は何か? 複雑すぎてデータを見ているだけでは何が重要な構造なのか分からない人間は注目したいものしか注目しないそれ故シミュレーションを利用すべき

24 Parameters in Ensemble Simulation Large field (free energy) & Small field (trigger) azimuth: ϕ e shear angle: θ 0 Box:Rectangle including PIL Initial condition:lfff offset δ flux Φ 161 cases 3D MHD 256x1024x512 grids output: 800 GB/run Earth Simulator (JAMSTEC)

25 Parameter Space: θ 0 vs. ϕ e strong shear weak shear potential field Right Polarity Opposite Polarity Right Polarity Normal Shear Reversed Shear

26 シミュレーション結果 strong shear no flare flare no flare weak shear potential field Right Polarity Opposite Polarity Normal Shear Reversed Shear

27 Flare Phase Diagram strong shear no flare OP flare RS no flare weak shear potential field Right Polarity Opposite Polarity Normal Shear Reversed Shear

28 反極性型 (OP-type)

29 逆磁場型 (RS-type)

30 観測的検証 OP RS :22 UT RS OP OP RS Zirin and Wang 1993 Kurokawa, Wang & Ishii 2002 Green, Kliem & Wallace 2011

31 News: Solar Flares are Predictable! 朝日新聞 2012 年 11 月 3 日

32 幸いにも太陽の裏側で発生したため地球に影響しなかった 2014/8/25 Carrington-class event 2012, July 23 (2000km/sec)

33 太陽嵐の予測と宇宙天気予報衛星計画との積極的な連携研究ひので Solar-C 精密磁場観測京大 NAOJ 茨城大 Hα ドップラー測定東北大 NICT 電波観測名大 IPS システム太陽風の 3 次元構造観測フィラメント放出速度測定衝撃波伝搬測定 Kusano et al 信州大ミューオン計測宇宙線前兆現象の測定フレア予測計算 Kataoka et al 惑星間空間モデル

34 SUSANOO: 実証型宇宙天気統合システム Space weather Unified System Anchored by Numerical Operations and Observations 太陽風シミュレーションと放射線帯シミュレーションのコードカップリングシミュレーション経験モデルによるオーロラ予報も実装 2 週間先までの太陽風と放射線変動の予測計算が可能 ( 世界初 ) データ同化を含めたコードの改良を実施中 2014/8/25

35 黒点周期活動の謎マウンダー極小期過去 400 年の黒点数ダルトン極小期現代極大期凍るテイムズ川 (1677) Frozen_Thames_1677.jpg Usoskin (2008) 西暦過去 1 万年の太陽活動小氷期

36 特異な太陽活動の兆候現在極大期にあるサイクル 24 は 100 年ぶりの低活動太陽風密度動圧磁場も過去 20 年間継続的に減少太陽圏全体の収縮銀河宇宙線の増加小氷期マウンダー極小期太陽黒点数の変化 24 太陽活動の今後の変化は科学的にも社会的にも重要な課題サイクル 23 サイクル 24 太陽風動圧の変化 2000 年以降の黒点数変化

37 過去 30 年の太陽磁場活動 37

38 太陽黒点の形成 38 太陽黒点は太陽内部で生成された磁束管が表面に上昇してできる

39 39 太陽磁場の反転法則

40 太陽ダイナモ太陽内部のプラズマの運動が磁場を再生成する 40

41 太陽磁場の構造と変化西暦第 21 周期第 22 周期 2010/4/8 太陽磁場のバタフライ図第 23 周期

42 太陽黒点周期と磁場反転 B<0 B>0 B<0 B>0 B>0 B<0 B>0 B<0 42

43 太陽ダイナモのモデル

44 磁束輸送ダイナモモデル ( 仮説 )

45 Predicting Cycle 24 The Third Official Prediction Panel D.A. Biesecker (NOAA/NWS/SWPC) Climatology and Recent Climatology Spectral and Neural Network Precursor Physics Based

46 太陽極域磁場と黒点極域磁場黒点 Prof. Choudhuri 提供

1998 宇宙線生成核種 Δ 14 C( 太陽活動指標 ) Stuiver and Quay 1980 Klein et al.

47 太陽活動と気候変動北半球平均気温 Mann et al. 1998, 1999 Moberg et al Pollack & Smerdon 2004 Dahl-Jensen et al 宇宙線生成核種 Δ 14 C( 太陽活動指標 ) Stuiver and Quay 1980 Klein et al Raisbeck et al Usoskin et al 熱帯アンデス氷河 Polissar et al 中世温暖期小氷期 Kirkby 2007 黒点多黒点少西暦

48 太陽黒点活動に伴う宇宙線流束変水量減少降水量減少数千年スケールの太陽と気候 Neff et al. (2001) δ 18 O: 降水活動の指標北オマーンの洞窟内石筍 Δ14C: カリフォルニアの年輪解析数十年から千年規模までの様々なスケールで強い相関動降2014/8/25

49 太陽からの放射黒点活動に伴う様々な変化黒点白斑 sunspot 黒点 GCR 銀河 Usoskin 2008 白斑黒点宇宙線白斑と黒点の違い放射強度磁場宇宙線などはいずれも黒点活動と同期して変動する 49

50 太陽の気候影響メカニズムは? 太陽ダイナモ黒点磁場活動放射強度 (TSI) 放射スペクトル (SSI) 太陽風太陽圏磁場銀河宇宙線太陽変調太陽面爆発 ( フレア CME) 高エネルギー粒子循環それぞれの過程がどのように地球気候に影響しているのかオゾンはまだ良く分かっていない雲 2014/8/25

51 予測することの重要性未来を予測することの重要性科学的理解のための重要性メカニズムの理解予測予測の方法経験的予測法周期性の発見予兆現象の発見相関現象の発見第 1 原理的予測法第 1 原理に基づく時間発展の結果として未来を予測する

年の周期を持つ楕円軌道を持つと結論 ( プリンキピア出版は1687 年 ) 過去の記録から 1531 年 1607

52 予測と近代科学ハレー彗星 Wikipedia よりエドモンドハレー (1656 年 10 月 29 日年 1 月 14 日 ) 1682 年に出現した彗星の観測データとニュートン力学からこの彗星が 76 年の周期を持つ楕円軌道を持つと結論 ( プリンキピア出版は1687 年 ) 過去の記録から 1531 年 1607 年に出現した彗星が同一のものと推測次回の回帰が1758 年であると予測 1758 年 12 月 25 日予測通り彗星が出現

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