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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れんかふじがわ
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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 2016 年 3 月 31 日宇宙天気と宇宙気候太陽活動を予測する名古屋大学宇宙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 2017/4/1

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 0 L 黒点磁場のエネルギー ~10 25~26 J 3

6 Chromosphere 彩層 Solar corona 太陽コロナＳＤＯ衛星が観測した 2011年8月2日の太陽 6

7 太陽の X 線観測ようこう衛星太陽フレア : 太陽系最大の爆発現象水爆 (TNT 換算 1 メガトン級 )1 億個分のエネルギー 7

8 フレアに伴う X 線電波電子流束

9 太陽地球圏の環境変動太陽地球圏の環境変動発生伝播影響太陽爆発現象太陽長期変動高エネルギー粒子太陽風 ( 高速プラズマ流 ) 太陽放射 (VIS, UV, EUV, X) 磁気嵐宇宙放射線地球気候変動電離圏嵐過去 400 年間の太陽黒点数変化太陽コロナの X 線観測 ( ようこう衛星 ) 小氷期西暦 2

10 太陽地球結合系 11

11 12

12 13

3 宇宙環境変動の社会影響大フレア時に約 100 msv の被曝可能性宇宙放射線

2014 年 1 月宇宙放射線増加により ISS への補給機打上延期 2012 年 1

13 3 宇宙環境変動の社会影響大フレア時に約 100 msv の被曝可能性宇宙放射線大フレア時に約 4 msv の被曝可能性測位通信粒子輻射粒子輻射太陽風 2014 年 1 月宇宙放射線増加により ISS への補給機打上延期 2012 年 1 月アメリカ連邦航空局が極航路の変更を勧告宇宙放射線による宇宙飛行士航空機乗員の被曝デリンジャー現象によって数十分 ~ 数時間にわたり長距離短波通信が不通航空無線等でも障害電離圏擾乱による測位通信障害電力太陽風 1989 年 3 月の巨大磁気嵐によりケベック州で大停電が発生し北アメリカ全体に影響が広がったケッベク大停電の際に焼けたトランス地磁気誘導電流による電力網障害と停電衛星粒子輻射 X 線天文衛星あすか : 2000 年 7 月の巨大太陽フレアの影響で姿勢制御不能となり大気圏に突入した衛星障害軌道影響気候影響凍るテイムズ川 (1677) 粒子輻射太陽風太陽活動の大極小期 ( グランドミニマム ) における小氷期の発生

14 Carrington s Flare(1859, Sep 1) Richard C. Carrington Discovery of Solar Flare Carrington, R.C.: 1859, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 20,

15 Carrington s Events Giant magnetic storm active Aurora 磁気嵐の指数 Dst~1600nT 日本でも弘前 ( 青森 ) 平鹿 ( 秋田 ) 印南新宮 ( 和歌山 ) でオーロラが見えた記録がある早川尚志 ( 京都大学 ) Green, J.L., Boardsen, S., Odenwald, S., Humble, J., and Pazamickas, K.A.: 2006, Advances in Space Research 38, 145. (Elsevierより許可を得て転載) 16

16 Giant Coronal Mass Ejection (CME) Baker, D.N., Li, X., Pulkkinen, A., Ngwira, C.M., Mays, M.L., Galvin, A.B., and Simunac, K.D.C.: 2013, Space Weather, 11, 585. STEREO-B STEREO-A 2012 年 7 月 23 日に巨大 CME が太陽の裏側で発生

17 MHD Simulation Baker, D.N., Li, X., Pulkkinen, A., Ngwira, C.M., Mays, M.L., Galvin, A.B., and Simunac, K.D.C.: 2013, Space Weather, 11, 585. 地球地球 Dst~1182nT の磁気嵐が発生可能密度速度

Paleo-cosmic ray study ( 古宇宙線学 ) using cosmogenic isotope in

, Nature, 486, 240-242 (14 June 2012) A signature of cosmic-ray

18 Paleo-cosmic ray study ( 古宇宙線学 ) using cosmogenic isotope in tree rings 名古屋大学の研究チーム西暦 774 年 ~775 年と西暦 993 年 ~994 年に宇宙線が急増したことを発見! Cosmic ray N 14 C 炭素同位体 ( アイソトープ ) Fusa Miyake, et al., Nature, 486, (14 June 2012) A signature of cosmic-ray increase in AD from tree rings in Japan Fusa Miyake, et al., Nature Communications, 4, id (7 November 2013) 名古屋大学宇宙地球環境研究所 19

19 従来の予測方法 Classification McIntosh classification Gallagher, Moon, Wang 2002 Sol. Phys. McIntosh 1990

20 Leka s presentation in PSTEP /4/1

21 米国 NOAA のフレア予測結果 Crown 2012 Validation of NOAA/SWPC Flare Probabilities for Cycle 23 Contingency Table for X-class Flares Prediction with the lead time of one-day Forecast Observation positive Observation negative Yes 50 (a) 67 (b) No 52 (c) (d) a/(a+c) ~0.49 precision Skill Score = (a-b)/(a+c) ~ hit rate True Skill Score (TSS) = a/(a+b) c/(c+d) ~ 0.43 a/(a+b) ~0.43

22 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

23 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

24 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

25 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

26 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)

Ensemble Simulation of Solar Flares K. Kusano et al., MAGNETIC FIELD STRUCTURES TRIGGERING SOLAR FLARES AND CORONAL MASS EJECTIONS, ApJ, 760:31, 2012 November 20.

27 Ensemble Simulation of Solar Flares K. Kusano et al., MAGNETIC FIELD STRUCTURES TRIGGERING SOLAR FLARES AND CORONAL MASS EJECTIONS, ApJ, 760:31, 2012 November 20. Strong shear Weak shear Shear angle of large component Magnetic polarity inversion line (PIL) shear free (potential field) Right Pol (RP) Azimuthal angle of small field Normal Shear (NS) Opposite Pol (OP) Rev Shear (RS) Right Pol (RP)

eruption no eruption magnetic shear angle potential field

28 Ensemble Simulation Study Flare phase diagram (Kusano et al. 2012) 2-ribbon flares strong shear weak shear no eruption eruption no eruption magnetic shear angle potential field Right Polarity Opposite Polarity Kinetic Energy Normal Shear Reversed Shear

29 Two ways to trigger eruptions sigmoid current sheet Triggered by Opposite Polarity (OP) field Triggered by Reversed Shear (RS) field 2017/4/1

Observation by Hinode Kusano et al. 2012 Bamba et al.

30 Observation by Hinode Kusano et al Bamba et al AR Triggered by OP-field AR Triggered by RS-field 2017/4/1

31 世界最大の太陽望遠鏡ビッグベア天文台ニューソーラーテレスコープ (New Solar Telescope)( 口径 1.6m)

32 観測された太陽黒点 2015 年 6 月 22 日 17:51UT ( 世界標準時 )

33 観測結果プレフレアとフレアの太陽表面での発光磁場観測発光現象の観測

34 Opposite Polarity Flux

35 中日新聞 2017 年 3 月 30 日 ( 木 )

36 Numerical Prediction Muhamad & Kusano (submitted) Nonlinear force-free field extrapolated from the vector magnetic field observation BB = ααbb trigger field AR /4/1

37 文部科学省新学術領域研究 ( ) 太陽地球圏環境予測 : 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 Project for Solar-Terrestrial Environment Prediction PSTEP Network 全国 20 組織約 100 名の研究者 Kyushu U Hiroshima U Kyoto U RIHN Osaka P U Hyogo P U Nagoya U ISEE JMA NIPR JMA JAEA NICT NAOJ ISAS/JAXA ENRI U EC Tohoku U Chiba U JAMSTEC U Tokyo RIKEN Musashino A U Sekei U 2017/4/1

新学術領域 PSTEP の組織構成と連携国際連携拠点総括班 ( 名大草野 ) 社会経済活動

社会のニーズに応える予報システムの開発モデルの統合社会影響予測実験 2 短期変動 ( 爆発現象

衛星観測 ( ひので SDO) 光球磁場地上観測フィラメント磁場速度 A03 地球電磁気班 (

電離圏擾乱予測衛星観測 (ERG) 地上観測 3 長期変動 ( 気候影響 ) 太陽観測 (

38 新学術領域 PSTEP の組織構成と連携国際連携拠点総括班 ( 名大草野 ) 社会経済活動 A01 予報システム班 (NICT 石井 ) 1 社会のニーズに応える予報システムの開発モデルの統合社会影響予測実験 2 短期変動 ( 爆発現象 ) A02 太陽嵐班 ( 京大一本 ) フレアモデル太陽圏モデルフレア発生予測太陽風擾乱予測衛星観測 ( ひので SDO) 光球磁場地上観測フィラメント磁場速度 A03 地球電磁気班 ( 名大三好 ) 粒子加速モデル磁気圏モデル大気電離圏モデル宇宙放射線予測地磁気変動予測電離圏擾乱予測衛星観測 (ERG) 地上観測 3 長期変動 ( 気候影響 ) 太陽観測 ( ひので衛星 ) 気候データアーカイブ A04 周期活動班 ( 京大余田 ) 太陽周期活動モデル地球システムモデル次期太陽周期予測太陽気候影響要素公募研究 7

1 Forecast Operation Group assessment A01 Mamoru Ishii (NICT) 宇宙天気予報運用機関 (NICT) と大学研究所

連携 1 名, 協力 1 名 ) 東京電力 ( 協力 1 名 ) 電気通信大学 ( 分担 1 名 ) 名古屋大学太陽地球環境研 ( 連携 1 名 ) 自然災害影響調査の専門家

Forecast systems to meet the needs of society, Assessment of severe space weather

A02 Solar Storm flare prediction model CME prediction model A03 Geomagnetism Radiation

39 1 Forecast Operation Group assessment A01 Mamoru Ishii (NICT) 宇宙天気予報運用機関 (NICT) と大学研究所企業による強力な産官学連携研究情報通信研究機構 ( 代表連携 2 名 ) 電子航法研究所 ( 分担 1 名 ) 原子力研究開発機構 ( 分担 1 名 ) JAXA 本部 ( 連携 1 名, 協力 1 名 ) 東京電力 ( 協力 1 名 ) 電気通信大学 ( 分担 1 名 ) 名古屋大学太陽地球環境研 ( 連携 1 名 ) 自然災害影響調査の専門家 Socio-Economic System to build the base of next-generation space weather forecast Forecast systems to meet the needs of society, Assessment of severe space weather prediction Integration of Physics-based Models evaluation feedback integration evaluation A02 Solar Storm flare prediction model CME prediction model A03 Geomagnetism Radiation prediction model GIC prediction model Ionosphere model A04 Solar cycle Solar cycle model Earth system model 8

2 Short-term prediction (Space Weather) 9 prediction

3 名連携 4 名 (Kyoto Nagoya JAXA NAOJ NICT JAMSTEC)

Prediction of Solar Flare & CME 3D B model and

NAOJ Data-driven simulation of flare Kusano, et al.

Doppler measurement of filament monitering system

Storm Assimilation of CME b/w network observation and

IPS observation of solar wind A04 Solar Cycle Group

Tohoku Kyusu Kyoto NICT ISAS MC) B V predict

Short-term prediction of radiation belt and SEP

interaction Prediction of ionospheric disturbance

Ionosphere- Atmosphere global connection model (GAIA)

model of GIC taking into account of conductivity

Multiscale interaction Physics-based modeling

conductivity verification meso-scale ionospheric

40 2 Short-term prediction (Space Weather) 9 prediction A02 Solar Storm A01 Operation Group (PI: Ichimoto) 分担 3 名連携 4 名 (Kyoto Nagoya JAXA NAOJ NICT JAMSTEC) Numerical Prediction of Solar Flares verification Prediction of Solar Flare & CME 3D B model and data-driven simulation Hinode vector magnetic field NAOJ Data-driven simulation of flare Kusano, et al sun SMART Hida observatory NICT new radio burst Doppler measurement of filament monitering system velocity CME prediction model Now-casting of Solar Storm Assimilation of CME b/w network observation and model earth Nagoya Univ. IPS observation of solar wind A04 Solar Cycle Group A03 Geomagnetism (PI: Miyoshi) 分担 7 名連携 5 名 (Ngoya Tohoku Kyusu Kyoto NICT ISAS MC) B V predict Evaluation at L1 Prediction of radioactivity in space Short-term prediction of radiation belt and SEP ERG(2016) first measurement of waveparticle interaction Prediction of ionospheric disturbance predicting meso-scale disturbance and propagation Ionosphere- Atmosphere global connection model (GAIA) Prediction of geomagnetically induced current Local model of GIC taking into account of conductivity distribution Global magnetoshperic model prediction Multiscale interaction Physics-based modeling Inter-scale coupling GIC model with ground conductivity verification meso-scale ionospheric model Long-variation observation Long-variation observation Radiation belt model including nonlinear acceleration Plasma bubble In Situ measurement of validation GIC

3 Long-term prediction (space climate) A01 Operation Group A02 data prediction

(Kyoto U) Kyoto Nagoya Musashino-art Seikei Hyogo-pref MC NAOJ NICT)

cycle 25 3D MHD model + flux transport dynamo model Mechanism of solar

system model MRI-ESM IPCC 気候モデル相互比較 CMIP6 に参加 variability data A03

41 3 Long-term prediction (space climate) A01 Operation Group A02 data prediction Solar Storm Active Region Count prediction requirement A04 班 PI Shigeo Yoden (Kyoto U) Kyoto Nagoya Musashino-art Seikei Hyogo-pref MC NAOJ NICT) Prediction of Cycle 25 Leif Svalgaard's Research Page year? cycle 25 3D MHD model + flux transport dynamo model Mechanism of solar influence to climate Various processes for solar influence to climate Earth system model MRI-ESM IPCC 気候モデル相互比較 CMIP6 に参加 variability data A03 Geo-magnetism 3D dynamo model Using K-comp Evaluation of probability of Grand minimum and little ice age 長期的な太陽地球圏環境変動を予測するための技術開発 10

資料

平成 30 年度地球シミュレータ利用報告会品川グランドホール 2019 年 3 月 5 日太陽地球圏環境予測プロジェクト (PSTEP) 草野完也名古屋大学宇宙地球環境研究所 (ISEE) 2019/ 3/7 3 太陽面爆発 : フレアと CME 太陽系最大の爆発現象 : 太陽磁場に蓄積された 10 32 ~10 33 erg ( 水爆の 1 億個に相当 ) のエネルギーを宇宙空間に放出 CME