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1 宇宙線起源核種による過去 12 年間の太陽活動と宇宙線変動 宇宙線 (~ 数 GeV) の太陽変調と 14 Cの振る舞い 14 Cの測定により目指すサイエンスこれまでの研究成果の紹介まとめと今後の展望 1 宮原ひろ子 2 横山祐典, 3 松崎浩之 4 増田公明, 4 永冶健太郎, 5 中村俊夫, 6 北川浩之, 7 村木綏 屋久島 1 宇宙線研 ( 宇宙基礎物理研究部門 ) 2 東大 海洋研 3 東大 原子力 4 名大 STE 5 名大 年測センター 6 名大 環境学 7 甲南大 理工

2 Monitoring cosmic ray flux using 14 C Galactic Cosmic Rays Modulation by Solar Magnetic Field Modulation by Geomagnetic Field Cosmic Ray Air Shower in the Atmosphere Secondary neutron 14 N + n 14 C + p 14 CO 2 Photo synthesis Tree-rings Differential 14 C Yield Energy (MeV)

3 地磁気変動による年輪中 14 C の経年変化 ( 木越, 1966) 9 7 Compiled 14 C data (5~1yr resolution) (back to ~14 years ago) (Stuiver 1998) Δ 14 C (permil) ( 現在 ) 年 (Before Present) ( 現在 ) 地磁気双極子モーメント (1 22 Am 2 ) ( 現在 ) 年 (Before Present)

4 太陽圏磁場構造の 11 年変動と宇宙線の太陽変調 Latitudinal solar magnetic profile Sunspot number 45 4 P. Riley et al., JGR 22 Neutron data Neutron Flux at Climax Sunspot Number. Sunspot number Year AD

5 Drift model (Jokipii et al., ApJ, 1977; Kota & Jokipii, 21) ( 極性負 ) ( 極性正 ) 勾配ドリフト v =B B 2 B=.1~5nT (Kota & Jokipii, 21) : Heliospheric Current Sheet : Heliospheric Current Sheet (From Fig. Okazaki, 太陽圏の断面図 28) (from Okazaki, 27) 2GeV proton (Small tilt = solar min) (Large tilt = solar max) Magnetic activity at solar surface

6 太陽変調による年輪中 14 C の経年変化 Neutron flux 45 4 Neutron Flux at Climax Sunspot Number Year AD Δ14C anomaly (per mill) 14 C in tree-rings (shifted by 3yrs according to the residence time) Blue : 14C data Red : 3-yr running ave Sunspot Number Year AD

7 樹木年輪 14 C により検出できる変動 現状と問題点 太陽周期の平均的な周期長 分析機器の高精度化により 1 サイクル毎の周期長の検出可 太陽双極子磁場の反転 ( 極性 ) 双極子消失時 ( 四重極構造 ) の場合については今後 宇宙線変調の数値シミュレーションが必要 太陽圏磁場構造 (tilt angle) 大気循環を介さない他の核種 ( 1 Be など ) との組み合わせによりより詳細な磁場構造を探ることが可能 太陽活動レベル 11 年周期の周期長と 14 C in tree-rings 問題点 14 C の変動幅.5~.6% 加速器質量分析計の誤差 ~.3% 活動度の逆相関関係が確立されれば Δ14C anomaly (per mill) Blue : 14C data Red : 3-yr running ave Sunspot Number 21 年に海洋研に加速器質量分析計が導入される予定.3%.12% Year AD

8 14 C 量の測定 ( 分解能 1 年 ) により目指すサイエンス 太陽ダイナモモデルに観測的制約 太陽 11 年 2 年 24 年周期の変遷史 約 2 年に 1 度の黒点消失期 ( マウンダー極小期など ) の発生メカニズムとダイナモの変動特性 黒点消失の前兆現象に関する情報 予測へ 11 年周期の伸縮により太陽活動度レベルの経年変化をモニター The Maunder Minimum( AD) Year AD Sunspot number 銀河宇宙線の太陽変調の物理 太陽の 11~24 年周期にともなう太陽圏磁場の変化と宇宙線の変調 南極アイスコア中 1Be の測定データを加えることによりより詳しい宇宙線モジュレーションの基礎データを得る ( 14 C の 11 年変動のシグナルとの比較により年代決定精度が向上 ) 宇宙線の気候 ( 雲形成 ) への影響を探る 宇宙線の 11 年 /22 年周期の気候への影響を調べる基礎データ ( 宇宙線が雲核を増やして地球を冷やす スベンスマルク仮説の検証 )

9 年輪試料の採取地 128E 136E 144E 4N Japan 室生杉 (167AD~ 現在 ) 埋没ヒノキ (2 万年前 ) 3N Yaku-Island 屋久杉 (15 AD~ 現在 ) 埋没クスノキ (24 年前 ) 3N

10 試料調整 測定手法 1 年輪の絶対年代の決定 核実験による14Cピーク (1964 年 ) の検出年輪幅パターンマッチングによる年代決定 Δ 14C ( ) Bomb peak Year 2 年輪の剥離と化学洗浄 塩酸 - 水酸化ナトリウム - 塩酸 (AAA) 処理 3 グラファイト合成 年輪試料の燃焼 CO2 ガスの純化 水素還元 グラファイト 1.5mg C 4 加速器質量分析計 (Accelerator Mass Spectrometer) による 14 C/ 12 C の測定 Target holder

11 加速器質量分析計の原理 存在比 12 C : 13 C : 14 C =.989 :.11 :

12 測定結果 : 過去 11 年間における太陽 11 年 周期の変遷 Δ 14 C (permil) ~9 年周期 1~11 年周期 9~11 年周期 ~11 年周期 11~13 年周期 11~14 年周期 ~14 年周期 ~13 年周期 中世の活発期 オールト極小期 中世の活発期 シュペーラー極小期 マウンダー極小期 ダルトン極小期 ( 青点 : Miyahara et al., 24, 26, 27 黒点 : Stuiver, 1998; 灰点 :Damon, 23 ) (1 年値 ) 西暦年 Δ 14 C (per mill) C 2 1 Miyahara et al., Sol. Phys. 24, JGR, 26, EPSL, 28 8 黒 Year AD

13 測定結果 : 過去 11 年間における太陽 11 年 周期の変遷 誤差 ±.5 年 Δ 14 C (permil) ~9 年周期 1~11 年周期 9~11 年周期 ~11 年周期 11~13 年周期 11~14 年周期 ~14 年周期 ~13 年周期 中世の活発期 オールト極小期中世の活発期 シュペーラー極小期 西暦年 マウンダー極小期 ダルトン極小期 (1 年値 ) ( 青点 : Miyahara et al., 24, 26, 27 黒点 : Stuiver, 1998; 灰点 :Damon, 23 ) 周期長と活動度に逆相関の傾向 (Solanki, 22; Hathaway, 23; 24 らの結果を支持 ) 14yr=168 months 9yr=18 months マウンダー極小期の黒点消失は太陽内部の対流速度の低下に起因?? Period (months)

14 Long-term trend of solar activity level : Contradicting features of 14 C and 1 Be Present Based on 14 C (Solanki, 24; 25) Based on 1 Be (Vonmoos, 26) Φ (MeV) 4

15 宇宙線と気候

16 過去 12 年間における気温変化と太陽活動 小氷河期 中世の温暖期 (Usoskin, 24) 太陽活動活発期 黒点年輪中炭素 14による南極氷床中ベリリウム同位体による全球氷床中ベリリウム同位体による (IPCC27) 太陽活動と気候変動には似たような変動や周期性が多数報告されている 太陽活動極小期 ( 静穏期 ) 西暦年

17 気候変動の外的要因の主要な候補 日射, 紫外線 ACRIM Total Solar Irradiance Composite simple 11-year variation 銀河宇宙線 11-year / 22-year cycles Total Solar Irradiance [W/m 2 ] Year Monthly Sunspot Number Polarity of the Sun positive negative positive negative (Svensmark, 27) A + A - A + A -

18 22-year cycle detected in tree-ring width (proxy of temperature) [ ].6 Maunder Present Active.4.2 Maunder Minimum Climate cycle = ~28 years Dalton Minimum Climate cycle = ~26 years GCR (Kota, 1983; 23) Medieval Maximum Climate cycle = ~19 years

19 Solar forcing of climate during the Maunder Minimum (Miyahara, et al., EPSL, 28) Maunder Present Active 14 C (Vinther, 23) GCR (Kota, 1983; 23) 気温 太陽活動度が下がると極性負の solar minimum で寒くなる

20 まとめと展望 14 C の 1 年分解能での測定により 太陽 太陽圏 宇宙線 気候の変動の物理を理解するために必要な基礎データが得られる - 既知の太陽周期が網羅できる過去 2 万年間をターゲットにする - データの高精度化 高効率化が必要 (21 年頃から可能になる予定 ) 今後 南極氷の 1 Be 等の分析を組み合わせることによりさらに様々なサイエンスが可能 - 宇宙線の長期的変化 可変性に関して より詳細な情報 宇宙線が気候を左右するメカニズムの解明に向けて - 素過程 CERN での基礎実験 (SKY CLOUD 実験 ) - 気候システムに与える影響 neutron データと雲データの解析 - 氷河期 ( 生物起源エアロゾル, 水蒸気の欠乏時 ) における宇宙線と気候

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