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

2022 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

これまで開発した太陽対流層の第一原理シミュレーションを利用し、様々な異なる条件で太陽内部の磁束が太陽表面に上昇し、黒点領域を形成するアンサンブル・シミュレーションを行うと共に、その結果のフレア発生可能性をkappaスキームを用いて定量的に評価することに成功した。その結果、フレア発生領域が対流層内部の下降流の上部に捻じれた磁束が上昇した際に形成されることを明らかにした（Kaneko et al. 2022）。これは下降流による磁束の沈み込みの際に太陽表面で双磁極が衝突すると共に、磁束内の磁気ヘリシティが磁束管のひねり（writhe）に変換されるためであることを見出した。また、前年度に出版した太陽差分回転のシミュレーション結果の詳細な解析を行い、MHD対流乱流内の角運動輸送の新しい物理プロセスを見出すと共に、日震学測定との比較を通したモデル検証について議論を展開した。さらに、太陽地球圏環境予測に関する英語教科書を出版し、太陽フレア、CME、太陽周期の理解と予測に関する現在の到達点と課題についてとりまとめた論文を出版した。研究代表者の草野は名古屋大学宇宙地球環境研究所において開催された国際シンポジウムThe 5th ISEE Symposium Toward the Future of Space-Earth Environmental Researchを議長として開催し、宇宙地球環境研究の将来展望について議論を行った。

今後の研究の推進方策

太陽フレア物理予測スキーム（κスキーム）の改良を行い、これまで予測できなかった少数の例外イベントについて、予測できなかった原因を明らかにすると共に、Mクラス以下のフレアに対する予測能力を評価することで、フレア発生機構の一般的に理解を目指す。太陽活動領域への磁気ヘリシティ入射と非ポテンシャル磁場の起源についてシミュレーションで探り、太陽内部の磁束管のねじれを起源とするものと、太陽表面運動を原因とするものの寄与を定量化する。また、太陽対流層深部からの磁束管の上昇過程を計算し、太陽黒点の構造を決定する原因を明らかにする。さらに、噴出型フレアのデータ駆動型シミュレーションの詳細解析を進め、CMEとして発展する噴出現象の発生とその方向までも予測するための方法について検討する。惑星間CMEの伝播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を複数のイベントについて行い、CMEの地球到来予測の改善を試みる。

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] Probability Distribution Functions of Sunspot Magnetic Flux (2023)
  • 著者名/発表者名: Sakurai Takashi、Toriumi Shin
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 943 ページ: 10～10
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aca28a
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Reconstructing the XUV Spectra of Active Sun-like Stars Using Solar Scaling Relations with Magnetic Flux (2023)
  • 著者名/発表者名: Namekata Kosuke、Toriumi Shin、Airapetian Vladimir S.、Shoda Munehito、Watanabe Kyoko、Notsu Yuta
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 945 ページ: 147～147
  • DOI: 10.3847/1538-4357/acbe38
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Impact of subsurface convective flows on the formation of sunspot magnetic field and energy build-up (2022)
  • 著者名/発表者名: Kaneko Takafumi、Hotta Hideyuki、Toriumi Shin、Kusano Kanya
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 517 ページ: 2775～2786
  • DOI: 10.1093/mnras/stac2635
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Modeling the Transport and Deposition of 10Be Produced by the Strongest Solar Proton Event During the Holocene (2022)
  • 著者名/発表者名: Spiegl T. C.、Yoden S.、Langematz U.、Sato T.、Chhin R.、Noda S.、Miyake F.、Kusano K.、Schaar K.、Kunze M.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Atmospheres 巻: 127 ページ: e2021JD035658
  • DOI: 10.1029/2021JD035658
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Generation of Solar-like Differential Rotation (2022)
  • 著者名/発表者名: Hotta H.、Kusano K.、Shimada R.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 933 ページ: 199～199
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac7395
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mean-field Analysis on Large-scale Magnetic Fields at High Reynolds Numbers (2022)
  • 著者名/発表者名: Shimada Ryota、Hotta Hideyuki、Yokoyama Takaaki
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 935 ページ: 55～55
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac7e43
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Universal Scaling Laws for Solar and Stellar Atmospheric Heating: Catalog of Power-law Index between Solar Activity Proxies and Various Spectral Irradiances (2022)
  • 著者名/発表者名: Toriumi Shin、Airapetian Vladimir S.、Namekata Kosuke、Notsu Yuta
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Supplement Series 巻: 262 ページ: 46～46
  • DOI: 10.3847/1538-4365/ac8b15
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Flux emergence and generation of flare-productive active regions (2022)
  • 著者名/発表者名: Toriumi Shin
  • 雑誌名: Advances in Space Research 巻: 70 ページ: 1549～1561
  • DOI: 10.1016/j.asr.2021.05.017
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Unexpected space weather causing the reentry of 38 Starlink satellites in February 2022 (2022)
  • 著者名/発表者名: Kataoka Ryuho、Shiota Daikou、Fujiwara Hitoshi、Jin Hidekatsu、Tao Chihiro、Shinagawa Hiroyuki、Miyoshi Yasunobu
  • 雑誌名: Journal of Space Weather and Space Climate 巻: 12 ページ: 41～41
  • DOI: 10.1051/swsc/2022034
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Investigation of the dependence of angular momentum transport on spatial scales for construction of differential rotation (2022)
  • 著者名/発表者名: Mori K、Hotta H
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 519 ページ: 3091～3097
  • DOI: 10.1093/mnras/stac3804
  • 査読あり
• [学会発表] ねじれの無い磁束管の浮上に伴う有限の磁気ヘリシティ注入 (2023)
  • 著者名/発表者名: 鳥海森, 堀田英之, 草野完也
  • 学会等名: 日本天文学会2023年春季年会
• [学会発表] 輻射磁気流体計算を用いた音波の二点間伝播時間測定への観測ケーデンスの影響評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 八田良樹, 堀田英之, 草野完也, 関井隆
  • 学会等名: 日本天文学会2023年春季年会
• [学会発表] 対流層の底から光球までの浮上磁場シミュレーション：黒点対の非対称性生成の要因について (2023)
  • 著者名/発表者名: 堀田英之, 鳥海森, 草野完也
  • 学会等名: 日本天文学会2023年春季年会
• [学会発表] Toward the physics-based prediction of solar flares and solar eruptions (2023)
  • 著者名/発表者名: Kanya Kusano
  • 学会等名: Symposium on the Future of Heliospheric Science: From Geotail and Beyond
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Understanding the formation of flare-productive active regions using realistic flux emergence simulations (2023)
  • 著者名/発表者名: Shin Toriumi
  • 学会等名: RoCS/MUSE/IRIS workshop 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] SOLAR-C：フレアエネルギー蓄積・トリガについて (2023)
  • 著者名/発表者名: 鳥海 森
  • 学会等名: 2022年度太陽研連シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Integrated simulation study on the formation of flare-productive regions and the onset of solar flares (2022)
  • 著者名/発表者名: Kanya Kusano, Shin Toriumi, Hideyuki Hotta, and Takafumi Kaneko
  • 学会等名: COSPAR 2022, 44th Scientific Assembly
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Constrained-Transport 磁気流体力学緩和法における境界電場補正 (2022)
  • 著者名/発表者名: 三好隆博, 井上諭, 鳥海森, 草野完也
  • 学会等名: 日本天文学会2022年秋季年会
• [学会発表] 大規模シミュレーションで解明した「反太陽型の差動回転は存在しない」可能性 (2022)
  • 著者名/発表者名: 堀田英之, 八田良樹, 草野完也
  • 学会等名: 日本天文学会2022年秋季年会
• [学会発表] 星震学的解析を用いた太陽型星全球熱対流計算の検証 (2022)
  • 著者名/発表者名: 八田良樹、堀田英之、草野完也
  • 学会等名: 日本天文学会2022年秋季年会
• [学会発表] A few topics of plasma physics in solar physics: Eruption, Reconnection, and Dynamo (2022)
  • 著者名/発表者名: Kanya Kusano
  • 学会等名: The 31st International Toki Conference on Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion “Expanding academic world emerging from fusion science”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 太陽面爆発現象の包括的な理解と予測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 草野完也
  • 学会等名: 第３５回 理論懇シンポジウム「理論天文学・宇宙物理学の広がり：さらなる発展に向けて」
  • 招待講演
• [学会発表] Evidence of universal heating mechanism of solar and stellar atmospheres (2022)
  • 著者名/発表者名: Shin Toriumi
  • 学会等名: AAPPS-DPP2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Sun-as-a-star observations to characterize stellar active regions and universal atmospheric heating mechanism (2022)
  • 著者名/発表者名: Shin Toriumi
  • 学会等名: Space Climate 8
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Evidence of universal heating mechanism of solar and stellar atmospheres (2022)
  • 著者名/発表者名: Shin Toriumi
  • 学会等名: APPC15
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Current and next-generation simulations in solar physics (2022)
  • 著者名/発表者名: Hideyuki Hotta
  • 学会等名: The 5th ISEE Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Solar interior dynamics: Convection and Magnetic field (2022)
  • 著者名/発表者名: Hideyuki Hotta
  • 学会等名: APPC15
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Solar differential rotation reproduced with high resolution magnetohydrodynamic simulations (2022)
  • 著者名/発表者名: Hideyuki Hotta
  • 学会等名: ICNSP2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Generation of the solar magnetic field (2022)
  • 著者名/発表者名: Hideyuki Hotta, Kanya Kusano, Ryota Shimada
  • 学会等名: IAU GA 372: The Era of Multi-Messenger Solar Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] Solar-Terrestrial Environmental Prediction (2023)
  • 著者名/発表者名: Kanya Kusano, Ayumi Asai, Yusuke Ebihara, Hitoshi Fujiwara, Tadanori Goto, Yoichiro Hanaoka, Hisashi Hayakawa, Keisuke Hosokawa, Hideyuki Hotta, Kiyoshi Ichimoto, Shinsuke Imada, Mamoru Ishii, Kazumasa Iwai, Hidekatsu Jin, Yuto Katoh, Takashi Kikuchi, Yuki Kubo, Takashi Minoshima, Shin Toriumi, Daikou Shiota, et al.
  • 総ページ数: 462
  • 出版者: Springer
  • ISBN: 978-981-19-7764-0
• [学会・シンポジウム開催] The 5th ISEE Symposium Toward the Future of Space-Earth Environmental Research (2022)