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。
