恒星対流層から惑星間空間までを包括した太陽面爆発現象の理解と先進予測の実現

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H04492
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 草野 完也 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 教授 (70183796)
• 研究分担者: 横山 央明 京都大学, 理学研究科, 教授 (00311184) ; 堀田 英之 千葉大学, 大学院理学研究院, 准教授 (10767271) ; 鳥海 森 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 准教授 (30738290) ; 塩田 大幸 国立研究開発法人情報通信研究機構, 電磁波研究所電磁波伝搬研究センター, 主任研究員 (90462192)
• 研究期間 (年度): 2021-04-05 – 2026-03-31
• キーワード: 太陽 / フレア / CME / 太陽対流層 / ダイナモ / 宇宙天気 / シミュレーション / 予測

研究実績の概要

太陽フレアやコロナ質量放出（CME）などの太陽面爆発現象は太陽内部（対流層）でのダイナモ過程で生成された磁束が太陽表面を貫いて黒点を形成した後、太陽大気中で不安定化する結果として発生する。さらに、太陽面爆発は地球の電磁気圏のみならず人工衛星や電力網など現代社会を支える基盤にも多大な影響を与える。しかし、太陽内部・太陽大気・惑星間空間の領域間では物理変数とスケールの著しい乖離があり、観測可能な情報にも大きな隔たりがあるため各領域の研究は分断されている。その為、太陽ダイナモと太陽フレアの物理的連関は未解明である。また、太陽表面で発生するフレアとその遥か上空におけるCMEの形成と運動の関係も十分に理解できていない。すなわち、太陽と太陽圏を包括したシステムにおける太陽面爆発現象の全体像を捉えることは未だできていない。このため、①太陽フレアの原因となる磁束は太陽内部（対流層）でどのように形成されるのか？②対流層における磁束形成から太陽表面での黒点の成長進化に至るどの段階でフレア発生は決定づけられているのか？③惑星間空間におけるCMEの性質は太陽フレア及びその原因となる太陽内部ダイナミクスとどのように関係しているのか？④太陽恒星フレアの一般的性質である規模と頻度のべき乗則の原因は何であるか？⑤何が太陽恒星フレアの最大エネルギーを決めるのか？発生可能な最大の太陽面爆発現象はどのようなものか？という学術的「問い」はいずれも未解決である。本研究ではこれらの問いを解決するため、研究代表者が世界に先駆けて実現した太陽フレア物理予測スキーム（κスキーム）を軸に、太陽対流層の対流・ダイナモシミュレーションモデル、太陽活動領域モデル、惑星間空間モデルなど我々が開発した先進モデル群を相互に連結すると共に、精密観測とモデルの比較実証を通して太陽・太陽圏を包括した爆発現象の全体像を初めて明らかにする。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本年度は富岳による太陽対流層の超精密シミュレーションにより、これまで不可能であった太陽内部の差分回転構造を第一原理より再現した(Hotta & Kusano 2021）。この研究によりこれまで見出されていなかった小スケール磁場の角運動量輸送効果が太陽と恒星の自転に大きな影響を与えることが見出された。また、CMEに発展する噴出型フレアと発展しない非噴出型フレアの発生を事前に予測するためのパラメタ探査をについて成果を得た(Lin et al. 2021)。さらに、CMEシミュレーションと惑星間シンチレーション観測の同化によって、CMEの地球到来時間の予測を改善できる可能性を示すことに成功した(Iwai et al. 2021)。その他、太陽フレア発生の原因となる磁気ヘリシティの南北半球非対称性に関するデータ解析研究、太陽・恒星大気の加熱の性質とメカニズムに関する研究にて成果を得ると共に、全国的な宇宙天気予報研究プロジェクトPSTEPのサマリーリポートを連続論文として出版した。

今後の研究の推進方策

太陽対流層の自転構造に関してはシミュレーションデータの詳細解析を通して、そのメカニズムの解明を進める。黒点形成に関しては磁束上昇とコロナへのエネルギー供給に対する対流影響をアンサンブル・シミュレーションで調べることにより、フレア発生領域の形成機構とその条件を探る。特に、フレアの原因となる非ポテンシャル磁場と磁気ヘリシティの入射及び形成過程を対流層を含んだ磁束上昇過程のシミュレーションにより明らかにすると共に、シミュレーションで作った黒点領域におけるフレア発生可能性をκスキームで解析することにより、太陽内部のダイナミクスとフレア活動の因果関係を探る研究を進める。

研究成果

• [国際共同研究] NorthWest Research Associates(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: NorthWest Research Associates
• [雑誌論文] Recurrent Large‐Scale Solar Proton Events Before the Onset of the Wolf Grand Solar Minimum (2022)
  • 著者名/発表者名: Miyahara Hiroko、Tokanai Fuyuki、Moriya Toru、Takeyama Mirei、Sakurai Hirohisa、Ohyama Motonari、Horiuchi Kazuho、Hotta Hideyuki
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 49 ページ: e2021GL097201
  • DOI: 10.1029/2021GL097201
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] PSTEP: project for solar-terrestrial environment prediction (2021)
  • 著者名/発表者名: Kanya Kusano, Kiyoshi Ichimoto, Mamoru Ishii, Yoshizumi Miyoshi, Shigeo Yoden, Hideharu Akiyoshi, Ayumi Asai, Yusuke Ebihara, Hitoshi Fujiwara, Tada-Nori Goto, Yoichiro Hanaoka, Hisashi Hayakawa, Keisuke Hosokawa, Hideyuki Hotta, Kornyanat Hozumi, et al.
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 73 ページ: 1~29
  • DOI: 10.1186/s40623-021-01486-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Space weather benchmarks on Japanese society (2021)
  • 著者名/発表者名: Ishii Mamoru、Shiota Daikou、Tao Chihiro、Ebihara Yusuke、Fujiwara Hitoshi、Ishii Takako、Ichimoto Kiyoshi、Kataoka Ryuho、Koga Kiyokazu、Kubo Yuki、Kusano Kanya、Miyoshi Yoshizumi、Nagatsuma Tsutomu、Nakamizo Aoi、Nakamura Masao、Nishioka Michi、Saito Susumu、Sato Tatsuhiko、Tsugawa Takuya、Yoden Shigeo
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 73 ページ: 1-20
  • DOI: 10.1186/s40623-021-01420-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Solar differential rotation reproduced with high-resolution simulation (2021)
  • 著者名/発表者名: Hotta H.、Kusano K.
  • 雑誌名: Nature Astronomy 巻: 5 ページ: 1100～1102
  • DOI: 10.1038/s41550-021-01459-0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Eruptivity in Solar Flares: The Challenges of Magnetic Flux Ropes (2021)
  • 著者名/発表者名: Lin Pei Hsuan、Kusano Kanya、Leka K. D.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 913 ページ: 124～124
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abf3c1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Magnetic Helicity Flux across Solar Active Region Photospheres. II. Association of Hemispheric Sign Preference with Flaring Activity during Solar Cycle 24 (2021)
  • 著者名/発表者名: Park Sung-Hong、Leka K. D.、Kusano Kanya
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 911 ページ: 79～79
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abea13
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Fast Magnetic Wave Could Heat the Solar Low-beta Chromosphere (2021)
  • 著者名/発表者名: Wang Yikang、Yokoyama Takaaki、Iijima Haruhisa
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 916 ページ: L10～L10
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ac10c7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Validation of coronal mass ejection arrival-time forecasts by magnetohydrodynamic simulations based on interplanetary scintillation observations (2021)
  • 著者名/発表者名: Iwai Kazumasa、Shiota Daikou、Tokumaru Munetoshi、Fujiki Ken’ichi、Den Mitsue、Kubo Yuki
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 73 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1186/s40623-020-01345-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Physics-based prediction of solar flares (2022)
  • 著者名/発表者名: Kanya Kusano
  • 学会等名: 15th Quadrennial Solar-Terrestrial Physics Symposium (STP-15)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Data-driven MHD Simulation of Long-term Temporal Evolution of AR 11283 (2022)
  • 著者名/発表者名: Yeongmin Kang, Takafumi Kaneko, Kanya Kusano
  • 学会等名: 日本天文学会2022年春季年会
• [学会発表] 局所的線形フォースフリー磁場近似に基づく新たな太陽フレア予測の試み (2022)
  • 著者名/発表者名: 近藤芳穂, 草野完也
  • 学会等名: 日本天文学会2022年春季年会
• [学会発表] 活動領域12887で発生したXクラスフレアの観測データ駆動型磁気流体シミュレーション (2022)
  • 著者名/発表者名: 金子岳史, 草野完也
  • 学会等名: 日本天文学会2022年春季年会
• [学会発表] 赤道加速・表面勾配層・極向き子午面還流を再現した大規模数値シミュレーション (2022)
  • 著者名/発表者名: 堀田英之, 草野完也
  • 学会等名: 日本天文学会2022年春季年会
• [学会発表] Datadriven Simulation of Solar Active Region NOAA 11283 (2021)
  • 著者名/発表者名: Yeongmin Kang , Takafumi Kaneko, Kanya Kusano
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会2021
  • 国際学会
• [学会発表] A comparative study of the empirical and physics-based methods for solar flare predictions (2021)
  • 著者名/発表者名: Kaho Kondo, Kanya Kusano
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会2021
  • 国際学会
• [学会発表] Simulation study on the deformation of magnetic field in interplanetary CMEs (2021)
  • 著者名/発表者名: Minami Mori, Daikou Shiota, Kanya Kusano
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会2021
  • 国際学会
• [学会発表] The onset mechanism and a physics-based prediction of large solar flares (2021)
  • 著者名/発表者名: Kanya Kusano
  • 学会等名: The virtual DPG-Tagung (DPG Meeting) of the Matter and Cosmos Section (SMuK)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 赤道加速を達成した超高解像度計算の解析結果 (2021)
  • 著者名/発表者名: 堀田英之、嶌田遼太、草野完也、横山央明
  • 学会等名: 日本天文学会2021年秋季年会
• [学会発表] Data driven MHD Simulation of Solar Active Region NOAA 11283 (2021)
  • 著者名/発表者名: Yeongmin Kang, Takafumi Kaneko, Kanya Kusano
  • 学会等名: 日本天文学会2021年秋季年会
• [学会発表] 太陽フレアの経験予測と物理予測の比較 (2021)
  • 著者名/発表者名: 近藤芳穂、草野完也
  • 学会等名: 日本天文学会2021年秋季年会
• [学会発表] ICME の磁場構造の変形に関するシミュレーション研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 森美南、塩田大幸、草野完也
  • 学会等名: 日本天文学会2021年秋季年会
• [学会発表] Onset mechanism and a physics-based prediction of large solar flares (2021)
  • 著者名/発表者名: Kanya Kusano
  • 学会等名: AGU2021
  • 国際学会
• [学会発表] Numerical simulation of solar convection zone and magnetic field (2021)
  • 著者名/発表者名: Hideyuki Hotta
  • 学会等名: The 30th International Toki Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High resolution simulation of solar convection zone in Fugaku (2021)
  • 著者名/発表者名: Hideyuki Hotta
  • 学会等名: AAPPS-DPP2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Radiation Magnetohydrodynamics Simulations of Sunspot Formation with Influence of Deep Thermal Convection (2021)
  • 著者名/発表者名: Hideyuki Hotta, Shin Toriumi, Haruhisa Iijima
  • 学会等名: AOGS
  • 国際学会
• [学会発表] Successful reproduction of solar differential rotation in high-resolution calculation (2021)
  • 著者名/発表者名: Hideyuki Hotta, Kanya Kusano
  • 学会等名: SPD meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Correct reproduction of solar differential rotation in high-resolution simulation with Fugaku (2021)
  • 著者名/発表者名: Hideyuki Hotta, Kanya Kusano
  • 学会等名: JpGU
  • 招待講演