スーパーコンピュータ による 宇 宙 天 気 予 報 深 沢 圭 一 郎 1, 2, 3 1. 九 州 大 学 情 報 基 盤 研 究 開 発 センター 2. 九 州 大 学 宙 空 環 境 研 究 センター 3. CREST, JST 2011 年 12 月 17 日
本 日 の 話 の 内 容 1. 宇 宙 天 気 とは? 宇 宙 天 気 の 影 響 宇 宙 天 気 が 変 わる 原 因 2. 地 球 の 宇 宙 天 気 シミュレーション 3. 木 星 の 宇 宙 天 気 シミュレーション 周 期 的 なプラズマ 塊 の 観 測 結 果 とシミュレーションによる 再 現 4. 土 星 の 宇 宙 天 気 シミュレーション 渦 構 造 とオーロラの 関 係 5. まとめ
宇 宙 ( 空 間 )とはどこを 指 す? 月 の 辺 りは 宇 宙? スペースシャトルは 宇 宙 を 飛 んでいる? 国 際 宇 宙 ステーション (きぼう)は 宇 宙 にある? オーロラは 宇 宙 で 光 っている?
宇 宙 は 高 度 で 定 義 800km 690km 高 度 100kmより 上 空 が 宇 宙 月 は38 万 km 地 球 から 離 れています 太 陽 は1 億 5 千 万 km 離 れています 中 間 圏 から 上 空 を 電 離 圏 とも 言 います 外 気 圏 熱 圏 中 間 圏 成 層 圏 対 流 圏 80km 50km 18km
電 離 プラズマとは? 原 子 がイオンと 電 子 にわかれること 紫 外 線 X 線 など が 当 たると 3+ イオン 原 子 電 子 とイオンが 分 布 している 状 況 を プラズマと 呼 びます e - e - e - 原 子 から 電 子 が 出 て 行 ってしまう
なぜ 宇 宙 の 予 報 をするのか 地 上 には 影 響 ないだろう 宇 宙 飛 行 士 やスペースシャトル 向 け? 生 活 の 役 に 立 つのか 実 は 思 っているより 身 近 な ことに 影 響 しています
ここで クイズを 宇 宙 の 天 気 が 荒 れると 以 下 のうちど れかが 起 きることがあります どれで しょうか 1. 台 風 2. 停 電 3. 地 震 4. 断 水
宇 宙 天 気 に 起 因 する 障 害 国 際 線 航 空 機 に 用 いる 短 波 通 信 が 太 陽 フ レアによるデリンジャ- 現 象 のために 通 信 不 能 となる 2001 年 4 月 には 航 空 機 が40 分 間 行 方 不 明 になる 太 陽 プロトンイベントにより 衛 星 の 太 陽 電 池 パネル 出 力 が 低 下 したり 衛 星 の 姿 勢 が 不 安 定 になる 通 信 衛 星 が 太 陽 高 エネルギー 粒 子 放 射 線 帯 粒 子 により 機 能 停 止 した 2000 年 7 月 の 電 離 圏 嵐 により 超 高 層 大 気 が 加 熱 膨 張 し 衛 星 ドラッグが 増 加 し X 線 天 文 衛 星 あすか の 姿 勢 が 不 安 定 になっ た 2001 年 3 月 に 回 復 不 能 で 落 下 出 力 低 下 する 太 陽 電 池
宇 宙 天 気 に 起 因 する 障 害 宇 宙 飛 行 士 や 北 極 回 り 国 際 線 ク ルーは 放 射 線 被 爆 の 心 配 があり 安 全 基 準 が 論 議 されている 1989 年 3 月 13 日 地 磁 気 嵐 の 誘 導 電 流 によりカナダケベック 州 で9 時 間 にわたり100 万 人 が 停 電 被 害 を 被 っ 国 際 宇 宙 ステーション た トランスが 焼 損 した 2002 年 6 月 ワールドカップ 日 本 戦 でスポラディックE 層 によるテレ ビ 電 波 の 散 乱 により 画 像 が 乱 れた Es 層 は6-9 月 に 良 く 現 れる 衛 星 電 波 が 電 離 圏 擾 乱 によってシンチレーションを 受 け 気 象 衛 星 画 像 劣 化 や 衛 星 測 位 (GPS) 誤 差 が 発 生 する 2010 年 アメリカの 通 信 衛 星 Galaxy-15という 通 信 衛 星 が 故 障 し 静 止 軌 道 上 を 漂 流
宇 宙 の 嵐
極 端 紫 外 線 による 観 測
コロナ 大 規 模 ガス 噴 出 現 象
巨 大 な 黒 点 群
黒 点 の 発 生 周 期 黒 点 が 全 く 表 れなかった 時 期 も 過 去 に は 存 在 します 1640 年 から1715 年 が 最 も 最 近 で 地 球 は 寒 冷 化 しました( 弱 氷 河 期 ) 11 年 太 陽 活 動 と 地 球 温 暖 化 が 関 係 している という 説 もあり これからますます 重 要 な 研 究 になっていくと 考 えられます
地 球 のシミュレーション
宇 宙 天 気 シミュレーションの 計 算 式 宇 宙 プラズマを 取 り 扱 う 方 程 式 ( 少 し 複 雑 ですが) Vlasov(ブラソフ) 方 程 式 f t v f x q m f ( E v B) v 0 しかし f(x, y, z, v x, v y, v z, t)を 計 算 するには 現 在 のコンピュータではメモリ 不 足 (たとえば 1000 6 =8PBのメモリ)
宇 宙 天 気 シミュレーションの 計 算 式 宇 宙 プラズマを 取 り 扱 う 方 程 式 そこで 簡 略 化 したMHD 方 程 式 を 利 用 ( v ) t v 1 ( v ) v p t p t B t ( v ) p p v ( v B) 1 J B MHD 方 程 式 の 場 合 1000 3 8=64GBの メモリで 計 算 ができる
計 算 に 必 要 なコンピュータ MHDシミュレーションで 正 確 な 宇 宙 天 気 シミュレーションを 行 うためには 10000 3 8の 計 算 格 子 が 必 要 計 算 に 利 用 する 一 時 的 なメモリを 含 めると1PB 京 をすべて 利 用 してぎりぎり 計 算 が 可 能 なサイズ 簡 略 化 する 前 のVlasov 方 程 式 は 京 でも 計 算 できない(1EBのメモリが 必 要 ) 京 の 次 のエクサスケール 級 で 初 めて 可 能?
今 の 計 算 は 意 味 が 無 いのか? 大 規 模 な 構 造 は 再 現 できている コンピュータパワーが 無 いからこそ 頭 を 使 って 技 術 を 発 展 させられる 上 記 を 含 めて 経 験 が 無 いと いきなり 高 速 なコンピュータを 与 えられても 使 えない( 使 えても 非 効 率 ) 海 外 任 せで 良 いとすると 将 来 の 自 分 たち の 頭 の 上 を 安 全 に 守 れるか 不 安
ほかの 惑 星 の 宇 宙 天 気 シミュレーション
太 陽 系 の 惑 星 など
意 外 に 異 なる 惑 星 の 性 質 地 球 木 星 土 星 における 電 磁 気 的 特 徴 木 星 土 星 地 球 磁 場 [nt] 420,000 21,000 31,000 極 性 北 向 き 北 向 き 南 向 き 自 転 周 期 [hr] 10 10.65 24 プラズマ 源 イオ エンセラダス 電 離 圏 電 離 圏 電 離 圏 赤 道 半 径 [km] 71,492 60,268 6378 太 陽 からの 距 離 [A.U.] 5.2 9.55 1
過 去 とこれからの 惑 星 探 査 8 機 の 探 査 機 が 木 星 を 観 測 Pioneer10 (1973), Pioneer11 (1974), Voyager1 (1979), Voyager 2 (1979), Ulysses (1992), Galileo (1995-2003), Cassini (2000), and New Horizon (2007) 4 機 の 探 査 機 が 土 星 を 観 測 Pioneer11 (1979), Voyager1 (1980), Voyager 2 (1981), Cassini (2004 - now) 将 来 計 画 JUNO (launch at 2011, arrive at Jupiter in 2016) EJSM (Jupiter mission: launch after 2020) TANDEM (Saturn mission: launch after 2020)
木 星 宇 宙 天 気 シミュレーション
木 星 におけるおもしろい 観 測 結 果 New Horizonの 観 測 結 果 2007 年 2 月 に New Horizon 探 査 機 が 木 星 で 複 数 の プラズマの 塊 を 観 測 した Fig. Plasma observations from just after NH s inbound crossing of Jupiter s magnetopause late on DOY 56, through closest approach at ~32 R J, and back down the magnetotail to >2500 R J. [McComas et al., 2007]
木 星 シミュレーションムービー 磁 場 プラズマの 温 度 [Fukazawa et al., JGR, 2010]
土 星 宇 宙 天 気 シミュレーション
土 星 のおもしろい 観 測 結 果 1 ハッブル 宇 宙 望 遠 鏡 とCassiniの 同 時 観 測 (2004 年 ) Cassiniが 太 陽 風 を 観 測 して ハッブルが 土 星 のオーロラを 撮 像 土 星 磁 気 圏 の 乱 れた 対 流 構 造 渦 構 造 に 関 係 するのでは? オーロラの 増 光 が 見 ら れるが 原 因 は 不 明 Fig. Comparison between HST images and solar wind conditions propagated to Saturn for the period 25 30 January 2004 [Crary et al., 2005]
土 星 のおもしろい 観 測 結 果 2 Cassiniによって 観 測 された 渦 構 造 2006_FGM_KSO_1M BX[nT] BY[nT] BZ[nT] BTOTAL[nT] 6.00 4.00 2.00 0.00-2.00-4.00 6.00 4.00 2.00 0.00-2.00-4.00 2.00 0.00-2.00-4.00-6.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 DOY:7619:00 22:00 01:00 04:00 07:00 10:00 13:00 2006-Mar-17 X -2.30-1.84-1.38-0.91-0.45 0.01 0.48 Y -26.72-26.04-25.34-24.61-23.85-23.07-22.25 Z 8.80 8.72 8.62 8.52 8.41 8.29 8.15 LOCAL HOUR 5.70 5.70 5.80 5.90 5.90 6.00 6.10 この 磁 場 変 化 は 磁 気 圏 内 における 渦 構 造 を 示 して いると 言 われ ている Fig. One minute averages of Cassini magnetic field observations in KSO coordinates (X Saturn to Sun, Z-upward normal to Saturn s orbital plane, Y completes a right handed system) on March 17 and 18, 2006 [Walker et al., 2011].
土 星 シミュレーションムービー 土 星 磁 気 圏 大 規 模 シミュレーション 世 界 最 大 規 模 の 計 算 により 渦 構 造 と オーロラの 関 係 を 調 べている Fig. 土 星 磁 気 圏 赤 道 面 におけ る 磁 場 強 度 [Fukazawa et al., JGR, 2011, revised]
土 星 のオーロラシミュレーション 土 星 から 流 れる 電 流 の 構 造 電 流 はオーロラの 輝 きと 関 連 がある Fig. 土 星 磁 気 圏 における 沿 磁 力 線 電 流 の 構 造 [Fukazawa et al., JGR, 2011, revised]
オーロラは 渦 から 来 ている? 電 流 と 渦 構 造 の 関 係 電 流 の 強 い 場 所 から 磁 力 線 を 伸 ばすと 大 規 模 計 算 に よる 高 精 度 なシ ミュレーションに より 土 星 渦 構 造 とオーロラの 構 造 の 関 連 性 を 初 めて 示 唆 Fig. 土 星 磁 気 圏 における 渦 構 造 と 沿 磁 力 線 電 流 の 関 係 [Fukazawa et al., JGR, 2011, revised]
まとめ 宇 宙 天 気 は 意 外 に 身 近 にある 現 在 の 宇 宙 天 気 シミュレーションはま だ 計 算 パワー 不 足 計 算 技 術 経 験 はいつでも 必 要 木 星 土 星 でも 観 測 結 果 を 再 現 できる ようになってきた 将 来 に 向 けてさらに 研 究 開 発 を 進 める