太陽フレアトリガの理論シミュレーションと ひので観測...Solar eruptions (flare & CME) are a sort of storage-and-release phenomena. avalanche solar flare earthquake

太陽フレアトリガの理論シミュレーションと ひので観測

草野完也

名古屋大学太陽地球環境研究所

研究協力 伴場由美（名大理）、山本哲也（名大STEL）、

飯田佑輔、鳥海 森（東大理）、浅井 歩（京大宇宙ユニット）

参考文献 Kusano et al., 2012, Magnetic Field Structures Triggering Solar Flares and

Coronal Mass Ejections, ApJ, 760, 31

第25回理論懇シンポジウム

「計算宇宙物理学の新展開」 2012年12月22日（土）－ 24日（月） つくば国際会議場 中ホール300

太陽面爆発現象

太陽フレア

コロナ質量放出 (CME)

フィラメント放出

• いつ、どこで、どれ程の爆発が起きるか？

• なぜ突発的に爆発するか？

Solar Storm Impacts the Earth Quebec blackout (1989) aurora

damage to satellites and astronauts

A single serious event might cause $2 trillion in damages.

http://solar-b.nao.ac.jp/PO/Space_weather/4104-A.jpg

Xクラスフレアの予測成功度(Skill Score)

1日前予測 ２日前予測 ３日前予測 year (events)

-0.068 -0.096 -0.141 2011 (8)

0.112 -0.147 -0.171 2006 (4)

0.242 0.147 0.127 2005 (13)

0.052 -0.001 -0.044 2004 (9)

0.200 0.093 0.076 2003 (17)

-0.037 -0.050 -0.033 2002 (12)

-0.061 -0.034 -0.006 2001 (18)

http://www.swpc.noaa.gov/forecast_verification/

f

qqqff

n

nnnSS

)(

完全予測→SS=1 常にフレア無しと予測→SS=0

Solar Flares in Rotating Sunspot

Hinode/SOT

Sigmoid 爆発の前兆？

Standard Scenario of Solar Flare

6

① sunspot formation ② twist and shear

③ magnetic reconnection ④ eruption

flare

B

BB Force-free field

potential field

J

Storage-and-Release Phenomena

Solar eruptions (flare & CME) are a sort of storage-and-release phenomena.

avalanche solar flare earthquake

Black Monday (1987) volvano

Storage & Release Process

criticality

Fre

e E

nerg

y

磁気ヘリシティ“間欠泉”

AB

BA

dVH Magnetic Helicity

H2y

Intermittent Transport of Magnetic Helicity Kusano+1995

10

Hinode Satellite

SOT:可視光望遠鏡：主鏡50cm 分解能：0.2-0.3秒角 (太陽面で200km、地上に向けたら50cm)

X線望遠鏡(XRT)

極紫外線撮像分光装置(EIS)

Launched on 2006 Sep 23

Nonlinear Force-Free Model Inoue, Kusano et al. ApJ 2011

linefield

z

zn dl

B

BT 　

][)4( 1

Smaller than the critical

BB Force-free field

太陽表面観測磁場を境界条件とした実データフォースフリー磁場モデル

Storage & Trigger & Release

criticality

What is the trigger?

It is difficult to determine the key structure from the data.

Model and Simulations

What is the key structure to trigger solar eruption?

シミュレーションにおける2つの戦略 戦略①

Data-driven Simulation 戦略②

Ensemble Simulation

初期境界条件 パラメタ

様々な初期境界条件・パラメタ

観測による検証

仮説提示

Parameters in Ensemble Simulation

3D MHD 256x1024x512 grids output: 800 GB／run

Box：Rectangle including PIL Initial condition：LFFF

azimuth: je

flux F shear angle: q0 offset d

Large field (free energy)

Small field (trigger) &

161 cases

Earth Simulator (JAMSTEC)

Parameter Space: q0 vs. je

potential field

Normal Shear Reversed Shear

Opposite Polarity Right Polarity Right Polarity

weak shear

strong shear

potential field

weak shear

strong shear

Normal Shear Reversed Shear

Opposite Polarity Right Polarity

no flare

no flare

Simulation Results

OP RS

flare

Magnetic structure just prior to flare

OP type

chromo-sphere

Flux tube is formed by reconnection in chromosphere.

current sheet

Bp

Magnetic structure just prior to flare

Bp

Flux tube is formed by reconnection in chromosphere.

current sheet chromo-sphere

OP type

flux tube

電流 I

F

F=rcI2BpI

トーラス不安定性 Ideal MHD

リコネクション

Flux Rope 電流の変化

time

I

EF

①sigmoid ②eruption ③reconnection

① ② ③

安定性の臨界条件

time

I

EF

EF

EF

擾乱磁場が未臨界の場合

EFの継続時間をパラメタとした３つの場合の シミュレーション結果

potential field

weak shear

strong shear

Normal Shear Reversed Shear

Opposite Polarity Right Polarity

no flare

no flare

Simulation Results

OP RS

flare

Two Scenarios for Triggering Flare

Eruption → Reconnection

OP-type structure

Reconnection → Eruption

RS-type structure

Sheared magnetic field (non-potential magnetic field)

+ +

pre-flare phase

triggering phase

onset phase

Eruption Reconnection main phase

time

Structures favorable for flares

Opposite Polarity OP-type

Reversed Shear RS-type

F

F’

F

F’

F

F’

F’

F

F’

F F

F’

G

G

Event 1 Hinode/SOT

02:18UT

02:22UT

02:26UT

Simulation (OP-type)

Ca H II a

a b

b

a

b b

a

c c

G’

OP-type

Preflare brightening disappears

Current sheet disappears

Simulation (RS-type)

RS configuration

ひので以前の観測を再解析すると

多くの大規模フレアが２つの磁場構造を伴っている。

Zirin and Wang 1993 Green, Kliem & Wallace 2011 Kurokawa, Wang & Ishii 2002

OP RS

OP OP

RS

RS

News: Solar Flares are Predictable! 朝日新聞 2012年11月3日

まとめ

徹底的な３DMHDアンサンブルシミュレーションによって、フレアトリガとなる２つの磁場構造（OP型、RS型）を特定した。

ひので衛星、SOHO衛星、地上観測データは多くのフレアが上記２つの磁場構造伴っていることを示している。

太陽フレアはトリガ型の突発的エネルギー解放現象である。

磁場構造の詳細観測から太陽面爆発の予測は可能。ただし、決定論的な予測可能時間は数時間程度に限定されるだろう。