太陽放射の地球惑星環境への影響評価とその物理予測モデルの構築

2023 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 22K03710
• 研究機関: 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群)
• 研究代表者: 渡邉 恭子 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群), 応用科学群, 准教授 (10509813)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• キーワード: 太陽フレア放射 / 地球電離圏 / 宇宙天気 / 数値計算モデル

研究実績の概要

本研究課題の２年目においては、特に太陽フレア放射の地球電離圏への影響について観測データを用いて検証を行い、その詳しい応答についてモデル化を行うための検討を進めた。
① 太陽フレア放射スペクトルは、主にFISM2による極紫外線放射のモデル計算と、GOES/XRSとSDO/EVEによるX線・極紫外線の観測データを用いた。
②地球電離圏への影響について、これまでは情報通信研究機構 (NICT) が保有している地球電離圏の全電子数分布の時間変化の観測値や、デリンジャー現象の情報が得られるイオノゾンデのデータを用いていたが、今年度はこれに加えて、高緯度の電離圏の電子密度の高度分布を導出できるデータを取得しているEISCATレーダーの観測データと、COSMIC衛星による電離圏電子密度の高度分布観測データも用いた。
③太陽フレア放射の地球電離圏への影響を計算するモデルについては、これまで用いてきたNICTが開発したGAIAモデルに加えて、日本原子力研究開発機構が開発して公開している高エネルギー反応のモンテカルロ計算コード「PHITSコード」を導入した。これにより、GAIAモデルには入っていなかった電離圏D領域の太陽フレア放射による電離について計算することが可能となった。
①の太陽フレア放射スペクトルを③のモデルに入力し、電離圏における電子数の高度分布を求めた。その結果を②の観測結果と比較したところ、フレアイベントや電離圏の高度・観測時間により、観測結果と計算結果がほぼ一致するものと何桁も異なるものが見られた。現在この結果について考察中であるが、PHITSによってフレア時の高度100km以下の電子密度変動を計算できるようになったことで、デリンジャー現象の予測精度が高まったことが示された。

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

当初研究課題1年目に、太陽フレアのループ長を太陽の様相から機械学習を用いて同定し、これを用いて太陽フレア放射を予測するとしていたが、太陽の様相とフレアループ長の関係性は導出できなかった。そこで、太陽の紫外線放射との相関が良いとされている電波放射の多周波データを用いて、太陽からの紫外線放射スペクトルを機械学習の手法を用いて導出する研究を進めた。その結果、太陽の活動周期変動（11年周期）だけでなく、太陽フレア放射においても多周波電波データから極紫外線放射スペクトルの再現に成功した。今後は、この機械学習モデルを太陽フレアの極紫外線放射スペクトルを導出するモデルとして使用することが可能である。
また、研究実績の概要でも報告したとおり、今年度は太陽フレア放射の地球電離圏への影響についての検証を進めた。太陽フレア放射の地球電離圏への影響を計算することができるGAIAモデルに加えて、デリンジャー現象の発生に大きく影響している電離圏D層のモデルとしてPHITSコードを導入したところ、高度100km以下の電離圏の電子密度が計算可能となった。この二つのモデルによる計算結果を地球電離圏の観測データと比較したところ、デリンジャー現象の予測精度が、PHITSコードを使用しなかったときと比較して約２倍向上した。現在、電離圏電子密度の細かい高度分布データとの比較検証を行っているが、特にフレア放射による影響については再現度が向上していることが確認できていることから、今後、GAIAモデルにPHITSコードによる計算結果を導入した統合モデルの構築を進めてゆく。
以上のように、当初の予定通りに進まなかった点についても代替案で対処できているため、本研究はおおむね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

これまでに太陽フレアの極紫外線放射スペクトルを多周波電波観測から導出するモデルを構築し、太陽フレア放射の地球電離圏への影響についての検証とモデル構築を進めた。地球電離圏への影響については、これまで使用してきた地球電離圏のモデルGAIAに加えて、PHITSコードを電離圏D領域の電子密度変動を計算できるモデルとして導入することによって、デリンジャー現象の再現に成功している。今後はまず、現在は別々に動作させているGAIAモデルとPHITSコードを、GAIAモデル内でPHITSコードが動作するように統合したモデルの構築を進める。この計算結果を、実際の観測結果、特に電離圏の電子密度の高度分布が観測されているデータ（EISCATレーダー、COSMIC衛星などのデータ）と比較し、観測が再現できるモデルとなるように調節することで、太陽フレア放射の電離圏への影響を高い精度で再現できる統合モデルの構築を目指す。

次年度使用額が生じた理由

今年度に出版を予定していた論文が現在査読中となっている。この出版費用を今年度は使用しなかったため使用計画との差額が生じた。出版費用も円高により高騰していることから、この差額は来年度の論文出版費用として使用する予定である。

研究成果

• [学会発表] Observation and Science with SoSpIM (2024)
  • 著者名/発表者名: Kyoko Watanabe, Louise Harra, Valeria Buchel, Silvio Koller, Leandro Meier, Daniel Pfiffner, Krzysztof Barczynski, Nils Janitzek, Samuel Gissot, Marie Dominique, Dana Talpeanu, David Berghmans, Toshifumi Shimizu, Hirohisa Hara, Shinsuke Imada, Sam Krucker
  • 学会等名: SOLAR-C Science meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Relationships Between Microwave and EUV Spectra in Solar Flare and Their Estimation by Machine Learning (2023)
  • 著者名/発表者名: Kyoko Watanabe, Mamoru Maeda, Masumi Shimojo, Kosuke Namekata, Satoshi Masuda
  • 学会等名: AOGS2023 20th Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] SOLAR-C/SoSpIM が観測する太陽放射の地球上層大気への影響 (2023)
  • 著者名/発表者名: 渡邉恭子, 北島慎之典, 大窪遼介, Harra Louise, Buchel Valeria, 今田晋亮, 原弘久, 清水敏文, 三好由純, 西谷望, 堀智昭, 家田章正, 陣英克, 垰千尋
  • 学会等名: 第154回SGEPSS総会および講演会
• [学会発表] Effects of solar radiation on the Earth's upper atmosphere (2023)
  • 著者名/発表者名: Kyoko Watanabe, Shinnosuke Kitajima, Ryosuke Okubo, Louise Harra, Valeria Buchel, Shinsuke Imada, Hirohisa Hara, Toshifumi Shimizu, Yoshizumi Miyoshi, Nozomu Nishitani, Tomoaki Hori, Akimasa Ieda, Hidekatsu Jin, Chihiro Tao
  • 学会等名: Hinode-16/IRIS-13
  • 国際学会
• [学会発表] SoSpIM overview (2023)
  • 著者名/発表者名: Kyoko Watanabe, Louise Harra, Valeria Buchel, Silvio Koller, Leandro Meier, Daniel Pfiffner, Krzysztof Barczynski, Nils Janitzek, Samuel Gissot, Marie Dominique, Dana Talpeanu, David Berghmans, Toshifumi Shimizu, Hirohisa Hara, Shinsuke Imada, Sam Krucker
  • 学会等名: Hinode-16/IRIS-13
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] GHz帯太陽強度モニター観測の現状と将来 (2023)
  • 著者名/発表者名: 渡邉恭子
  • 学会等名: 太陽研究者連絡会2023年度将来計画シンポジウム－太陽スペース観測シンポジウム－「SOLAR-C時代に向けた太陽地上観測の現状と将来」
  • 招待講演
• [学会発表] Relationship between multi-frequency microwave and EUV spectra in solar cycles and solar flares and their prediction by machine learning (2023)
  • 著者名/発表者名: Kyoko Watanabe, Mamoru Maeda, Masumi Shimojo, Kosuke Namekata, Satoshi Masuda
  • 学会等名: 2023 AGU fall meeting
  • 国際学会