2020 Fiscal Year Annual Research Report
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19J20294
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| Research Institution | The Graduate University for Advanced Studies |
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Principal Investigator |
石川 遼太郎 総合研究大学院大学, 物理科学研究科, 特別研究員(DC1)
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2019-04-25 – 2022-03-31
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| Keywords | 太陽 / 光球 / 対流 / 分光観測 / 乱流 / 深層学習 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
太陽光球面のダイナミクスは対流運動による粒状斑構造が支配していることが知られている。その一方で近年の磁気流体シミュレーションでは、粒状斑よりも小さな空間スケールの速度場が、磁場の生成や上空へのエネルギー輸送に貢献していることが示唆されている。特に太陽光球では鉛直に伸びる磁場構造が普遍的に観測されており、その近傍での水平速度がこのような相互作用において重要な役割を果たすと考えられている。しかしながら水平速度は観測する際の視線方向に垂直であり、ドップラー効果による直接的な測定が困難である。そのために、観測可能量である明るさの空間分布や時間変化、及び鉛直速度の空間分布や時間変化から、観測困難量である水平速度の空間分布を推定する手法の開発が課題であった。
昨年度には畳み込みニューラルネットワーク（CNN）を活用した、水平速度診断手法を開発した。この手法では大きさの異なる畳み込みカーネルを複数使用しており、大きな構造と小さな構造を同時に検出できるモデルである。粒状斑の大きさは大小様々であり、このようなマルチスケール性のある手法が有効であると考えた。今年度はその性能評価のため、「コヒーレンススペクトル」を新たに導入した。これは「各空間スケールにおける相関係数」を評価するものである。一般的に使用される、平均的な相関係数とコヒーレンススペクトルの解析的な関係についても導出を行なった。これらの解析的な関係をもとに、CNNモデルの性能を制限している原因やその改善方策について議論した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
昨年度開発した、CNNによる水平速度場診断手法の性能評価のため、「コヒーレンススペクトル」を新たに導入した。これは「各空間スケールにおける相関係数」を評価するものである。一般的に使用される、平均的な相関係数とコヒーレンススペクトルの解析的な関係についても導出を行なった。結果として平均的な相関係数はコヒーレンススペクトルの、パワースペクトルによる加重平均で表すことができることがわかった。相関係数が大きいにもかかわらず、小スケールにおいてコヒーレンスが急激に低下することがある。この関係により、これはパワースペクトルが小スケールで小さいために、小スケールの学習が効率的に行えていない可能性を示唆している。逆に入力データや損失関数をパワースペクトルで規格化するなどによって、学習を効率化できる可能性を示めしている。加えてコヒーレンスの低下が発生するのは、エネルギー注入スケールよりも小さい領域であることが分かった。これは対流構造の乱流的なカスケードが発生する領域であり、そのような非線形過程の学習について課題を明確にした。大きい空間スケールでは浮力（もしくは温度擾乱）による層流的な対流運動が支配的だが、小さい空間スケールでは浮力は重要ではなく、速度勾配などによる非線形過程が重要になる。小スケールの学習のためには、入力データとして速度勾配など非線形過程に関連すつ物理量が重要である。これらの結果をまとめて査読論文として出版した。
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| Strategy for Future Research Activity |
水平速度診断手法の開発については今年度で大きな進捗があった。この手法を今後実際の観測データに適用するためには、望遠鏡の空間分解能や、輻射輸送計算によるスペクトル線計算、スペクトル線からの鉛直速度算出などの影響を考慮したデータ入力と学習を行う必要がある。加えて、特に小スケールにおける予測精度の向上は、水平速度を推定するという実用的観点だけでなく、乱流そのものの性質を理解するという観点でも重要である。太陽表面乱対流における渦のカスケードという非線形過程を支配する物理過程と、小スケールの予測精度は密接に関連していると考えられるためである。
それに加えて、スペクトル線幅の増大から乱流速度場の推定を行うことも、光球のダイナミクスを理解する上で重要である。水平速度診断手法の開発に使用した乱対流シミュレーションデータを用いて、輻射輸送計算を行うことで、乱流とスペクトル線形状の対応関係を理論的に明らかにすることが必要である。いつ、どこで、どのような物理過程で乱流が励起・発達するのかという問題も重要な観点である。数値計算でそれらを議論するとともに、観測的検証をするために必要な観測手法の検討を行う必要がある。特に超大型太陽望遠鏡DKISTなどを用いた具体的な観測波長などを議論したい。
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Research Products
(4 results)
