大学共同利用機関法人 情報・システム研究機構 国立極地研究所

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研究成果

[プレスリリース]磁気嵐の予測に向けたコロナ質量放出シミュレーションを実現

2016年2月15日

大学共同利用機関法人情報・システム研究機構 国立極地研究所
国立大学法人名古屋大学

国立極地研究所(所長:白石 和行)の片岡龍峰准教授と名古屋大学宇宙地球環境研究所(所長:町田 忍)の塩田大幸特任助教は、太陽の強力な磁場の一部が引きちぎられ、地球にまで伝わってくる「コロナ質量放出」というプラズマ(注1)の爆発現象について、磁場を含めて再現するシミュレーションを初めて開発しました。

コロナ質量放出がはるばる地球にまで運んで来た強い磁場は、「磁気嵐(注2)」が発生するためのエネルギー源となります。現在、磁気嵐の発生をいち早く予測するために広く使われている類似のシミュレーションでは、常に得られている太陽監視データを使って、どれほどの勢いでコロナ質量放出が発生し、それがいつ地球に直撃するか、という予測が可能です。しかし、磁気嵐の予測に最も肝心な物理量である、コロナ質量放出が引きちぎった「磁場」は、これらのシミュレーションには含まれていません。そのため、磁気嵐のはじまりそうなタイミングはある程度予測できても、磁気嵐の規模はわからない、という状況でした。本研究では、コロナ質量放出が太陽から引きちぎる「磁場」も、太陽監視データのみを用いて入力できる新しい方法を発案し、「磁場入り」のコロナ質量放出シミュレーションを実現しました。

コロナ質量放出の磁場は、前方の遅い太陽風に追突して圧縮されたり、複数のコロナ質量放出が複雑に重なりあって強化されたりしますが、この複雑な磁場の変化が原因で、思いもよらぬ巨大な磁気嵐が発生することが、近年大きな注目を集めています(参考資料1)。今回、新たに開発されたシミュレーションでは、コロナ質量放出が短時間に何度も発生し、まわりの太陽風を押し分けながら、複雑に変化していく様子も自動的に再現される、ということも本研究によって確認されました。これまでは非常に予測しづらかった磁気嵐であっても、事前にその発生を予測できるようになることで、人工衛星などへの被害を未然に防ぐといった貢献も期待されます。

研究の背景

オーロラの世界的な広がりは、太陽風と呼ばれる、太陽から地球に吹き付けるプラズマの流れの影響を受けて大きく変わります。特に、太陽風中に地磁気と逆向き(南向き)の強い磁場が含まれ、地球がその磁場に包まれると、地球の磁場(地磁気)が大きく乱される「磁気嵐」が発生します。これは、太陽風の南向き磁場と地磁気の北向きの磁場が接することで、地磁気が太陽風に開いた状態になり、太陽風のプラズマが磁気圏の内側に入り込んで莫大な電流を発生させるためです(図1)。つまり、いつどれだけの規模で太陽風の南向きの磁場が地球に向かって到来するのかを正確に予測することが、オーロラの広がりや、磁気嵐の予報にとって必要不可欠な情報となります。

太陽風の磁場は、普段は主に東西方向を向いていますが、大きな磁気嵐を引き起こす南向きの磁場は、「コロナ質量放出」によってもたらされます。太陽の黒点周辺の磁場が強い領域では、コロナ中の磁気エネルギーが突発的に解放される、太陽フレアと呼ばれる爆発現象が発生します。この太陽フレアにともなって、大量のプラズマとともに大量の磁場が放出されますが、これを「コロナ質量放出」と呼びます(図2右)。コロナ質量放出の中の磁場構造は、複雑にねじれています。さまざまな方向を向いた磁場の一部は南を向いており、その南向きの部分が地球を通過したときに磁気嵐を引き起こします。

これら太陽風とコロナ質量放出の影響を観測データに基づいて数値シミュレーションを行い、磁気嵐の発生の開始時刻を予測する試みは米国を中心に行われています。しかし、従来のシミュレーションでは、コロナ質量放出におけるプラズマの流れは考慮されていましたが、磁場は考慮されていませんでした。そのため、地球に衝突する強い南向き磁場を予測することができず、このことが、磁気嵐の予報を阻害する要因となっていました。

本研究の内容とその成果

研究グループは、太陽表面の磁場と、実際に発生した太陽フレアとコロナ質量放出の観測データを使って、太陽から地球に向けて運ばれる磁場の強さと構造を磁気流体力学方程式と呼ばれる理論式に基づいてコンピュータで再現するシミュレーションを開発しました。さらに、この磁気流体力学シミュレーションにより、2003年10月末に発生した地球に向かう巨大なコロナ質量放出の再現実験を行い、このコロナ質量放出に伴って南向きの強い磁場が地球を通過する様子を再現しました。(図3図4

図3は、2003年10月27日~31日の期間に、地球の位置で実際に観測された太陽風の速度と、磁場の南北成分の時間変動を示したグラフです。シミュレーションによって再現された結果を赤線で重ねてあります。3本の破線(Shock1~Shock3)は、コロナ質量放出の前面にできる衝撃波(流れと磁場の不連続面)が通過した時刻を示しています。Shock2を伴うコロナ質量放出の強い磁場は、「ハロウィン磁気嵐」と呼ばれる巨大磁気嵐を引き起こしました。従来のシミュレーションでは、衝撃波の再現だけが行われてきましたが、本研究では、衝撃波の到来時刻を約2時間半の誤差で再現するだけでなく、29日から30日にかけて到来する南向きの強い磁場を大まかに再現することにも成功しました。

ちょうどこの強い南向き磁場が地球を通過している時刻(10月30日0:00 UT)の惑星間空間の様子について可視化した図が、図4です。南を向いているコロナ質量放出内部の複雑な磁場が地球に到達していることが確認できます。さらに、このシミュレーション結果を解析した結果、複数のコロナ質量放出が連続して発生し、それらが互いに影響し合うため、より複雑に変化した磁場が、地球を通過していたことも明らかになりました。

今後の展望

本研究により、オーロラが世界規模で活発になる磁気嵐の規模や日時を、太陽フレアの発生直後の早い段階でシミュレーションできる、ということが示されました。今後は、予測ツールとしての発展と、その精度の向上が期待されます。将来的には、日本を通過していく台風の進路予想や、そのときの週間天気予報のようなことが、磁気嵐の予測においてもできるようになっていくでしょう(参考資料2)。

また、複数のコロナ質量放出が追突して磁場が強まる現象のシミュレーションが可能になったことで、巨大磁気嵐がなぜ発生するのか、また、どのような太陽活動の場合に、より巨大な磁気嵐につながるのか、という詳しい仕組みの解明も期待されます。

注1 プラズマ
気体が非常に高温になると、原子は電離し、電子と原子核がバラバラになることで、電気を帯びた気体になる。これをプラズマという。

注2 磁気嵐
地磁気が、世界規模で数日間弱くなる現象。大規模な磁気嵐では、活発なオーロラ活動によって地上の送電網に誘導電流が流れて停電が発生したり、人工衛星の故障が引き起こされたりする場合がある。

参考資料

参考資料1: 国立極地研究所・名古屋大学プレスリリース「予想外に巨大化した磁気嵐の原因は太陽風の『玉突き事故』」(2015年7月2日)

参考資料2: 全自動実証型宇宙天気統合システム「SUSANOO(Space weather Unified System Anchored by Numerical Operations and Observations)(スサノオ)」

発表論文

掲載誌: Space Weather
タイトル: Magnetohydrodynamic simulation of interplanetary propagation of multiple coronal mass ejections with internal magnetic flux rope (SUSANOO-CME)
著者:
塩田 大幸(名古屋大学 宇宙地球環境研究所 特任助教)
片岡 龍峰(国立極地研究所 宙空圏研究グループ 准教授)
URL: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015SW001308/full
DOI: 10.1002/2015SW001308
論文公開日: 2016年2月5日

研究助成

太陽地球圏環境予測:我々が生きる宇宙の理解とその変動に対応する社会基盤の形成(領域代表:草野完也)

図表

図1:南北の向きの太陽風磁場が到来した時の地球の磁場の構造。青い線は両端が地球につながる磁力線を示し、赤い線は、太陽風につながる「開いた磁力線」を示している。破線は太陽風と磁気圏のプラズマの境界、オレンジの領域はプラズマが高温になる領域を示している。

図2:
(左図)ひので衛星X線望遠鏡で観測した太陽コロナ(グレースケール)と太陽表面磁場分布から計算された磁力線の様子(Sakao et al 2007)。青色は両端が太陽につながる磁力線を示し、黄色は片方が惑星間空間につながる磁力線を表す。太陽風は、黄色い「開いた磁力線」に沿って流れ出す。
(右図)太陽(白丸)を隠す人工日食によって、太陽風とコロナ質量放出(右上に飛び出す泡状の構造)を撮影した画像(SOHO探査機LASCO観測装置)。明るい部分には、より多くのプラズマが存在している。(http://sohowww.nascom.nasa.gov/gallery/images/20021202c2cme.html

図3:2003年10月27日-31日の地球の位置に到来した太陽風の磁場の南北成分と速度の時間変動のグラフ。青・黒の曲線が実際に探査機で観測されたデータを示し、赤色が数値シミュレーションで再現されたデータを示す。高速のプラズマの流れとともに、その後に続く強い南向きの磁場が到来する過程が再現されている。

図4: 2003年10月28日に発生したコロナ質量放出が地球周辺を通過したときの磁力線と速度場の3次元描像。背景の色は速度分布を表す。コロナ質量放出の前面の衝撃波に伴う高速のプラズマの流れ(秒速1200 km)の領域が、赤い曲面で3次元的に描画されている。座標の原点に太陽があり、色のついた球体は、この日時の惑星の位置を示す。惑星の周囲につながる磁力線を白いチューブで示す。

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