公募研究：第Ⅰ期公募研究（平成28～29年度）
齊藤 昭則／Ａ０１（京都大学）
電離圏擾乱が衛星搭載合成開口レーダー観測へ与える影響の評価と補正
高度100km-1,000kmに広がる電離圏では、太陽活動の変動と下層大気の変動を受け、さまざまな変動が発生しています。中でも比較的時間スケールの短い変動は突発的で、急激なプラズマ密度の変動を伴うことから電離圏擾乱と呼ばれています。電離圏擾乱は電離圏を通過する電波伝搬に影響を与え、群速度の遅延や、電波の干渉による信号強度や位相の乱れを生じさせています。このような「宇宙天気現象」の通信・放送・測位等の電波インフラへの影響は深刻なもので、その影響のひとつに人工衛星搭載の合成開口レーダー(SAR: Synthetic Aperture Radar)観測への影響があリます。本研究では、電離圏観測データと衛星搭載SAR観測データとの比較を行い、衛星搭載SAR観測に対する電離圏擾乱影響の評価指数を作成します。また、そのような影響を補正するための手法の試行も行います。防災の面においても重要なインフラである衛星搭載SARに対して宇宙天気現象が与える影響を評価・軽減することができるという点で、本新領域研究の目指す太陽地球圏変動に対応する社会基盤の形成に寄与することを目指します。
保田 浩志／Ａ０１（広島大学）
太陽地球圏における宇宙線被ばくに関するリアルタイムデータの提供
本研究では、研究項目A01「次世代宇宙天気予報のための双方向システムの開発」の一環として、太陽フレアの発生に伴う太陽地球圏内における高エネルギー粒子（SEP）の増加を迅速に検知・解析し、できるだけ早期の段階で航空機高度や宇宙ステーション内での被ばく線量率の上昇を定量化するためのプログラムの構築に取り組みます。具体的には、極域における中性子強度および衛星高度での太陽粒子強度の5分毎の観測データをリアルタイムに取得・解析し、地上における宇宙線強度の急激な上昇（GLE）を検知してから数時間内に、太陽地球圏（大気圏内を含む）の任意の地点での被ばく線量率の変動を予測し共有できるようにします。その情報をフライトスケジュールの変更などに迅速に反映できれば、SEPに因る被ばく線量を効果的に低減することができます。
阿南 徹／Ａ０２（京都大学）
コロナ磁場モデリングに最適なスペクトル線の選定
太陽地球圏環境を変動させる太陽フレアやコロナ質量放出は、太陽コロナに蓄積された磁気エネルギーの解放であると解釈されています。太陽コロナの磁場を直接測定することは困難なので、これまでは測定し易い太陽表面「光球」の磁場から外挿してきました。一方近年では、光球とコロナの間にある彩層の磁場が測定できるようになってきました。そこで本研究では光球、光球上層、彩層、彩層上層の磁場に感度がある複数のスペクトル線を同時に偏光分光観測できる装置を京都大学飛騨天文台のドームレス太陽望遠鏡に開発します。そして、測定された偏光分光データから各大気層の磁場ベクトルマップを導出します。それらを用いてコロナの磁場を外挿しコロナの磁力線を表すと考えられている構造と比較することで、どのスペクトル線が太陽コロナの磁場の外挿に適しているか明らかにします。
渡邉 恭子／Ａ０２（防衛大学校）
太陽フレア多波長スペクトルモデルの構築
太陽フレア現象は、太陽地球圏環境に影響をもたらす根源の現象です。現在、太陽フレアのX線の強度を指標としていますが、この軟X線強度と太陽地球圏環境の変動度はあまり比例していません。どのような特徴を持つ太陽フレアが発生すると地球まで影響するのか、その特徴を見積もるために、本研究ではまず、太陽フレアの多波長スペクトルを観測データから経験的に導出します。軟X線強度やその放射の継続時間、フレア領域の大きさとその位置などを太陽フレアの基本パラメータとして、電波から硬X線・ガンマ線までの電磁波だけでなく、高エネルギー粒子のスペクトルについても統計的な解析を行う予定です。また、観測結果より導出される太陽フレア放射モデルをもとに、これを説明可能な数値計算モデルも構築します。
以上から得られる観測モデルと計算モデルの両者を比較することによって、現実的な太陽フレア放射モデルの構築を目指します。これによって、GOESクラスとその継続時間などの太陽フレアの基本パラメータを入力値として、地球に降り注ぐ電磁波と高エネルギー粒子のスペクトルが、スペクトル観測なしで推定することが可能になります。
津田 卓雄／Ａ０３（電気通信大学）
電離圏擾乱予測に資する金属イオン・原子層の動態研究：高エネルギー粒子に対する応答
スポラディックE (Es) 層は、短波を利用した通信や放送に影響を及ぼすことから社会貢献の観点においても重要度の高い電離圏擾乱現象であり、動態の解明や予測が求められています。本研究では、Es層の主成分イオンを構成する金属イオンの動態、及び金属イオンの予備軍である金属原子の動態に焦点をあて、人工衛星データを用いて、高エネルギー粒子に対する金属イオン・金属原子層の動態をあきらかにしていきます。更に、化学的考察から多種の金属イオン層の応答推定を展開し、高エネルギー粒子に対する金属イオン層の動態変化を探っていく予定です。これらの研究を通じ、A03班と連携しながら、Es層などの電離圏擾乱の動態解明や予測研究に資することを目指していきたいと考えています。
長谷川 精／Ａ０４（名古屋大学）
湖成年縞から探る白亜紀の太陽活動周期と十年規模気候変動
地球の気候変動が太陽活動の変化に相関していることは広く知られていますが、その両者をつなぐメカニズムや、過去の地球においてもそれらがリンクしていたかどうかは良くわかっていません。本研究では，年縞の存在が確認されたモンゴルの湖成層（シネフダグ層）を対象とし、白亜紀（約1億2千万年前）における年～十年スケールの気候変動の復元を試みています。シネフダグ層の年縞は、春～夏の藻類起源有機物層と秋～冬の砕屑物層からなり、季節変動の情報も記録していると期待されます。そこで、この年縞記録に対して、蛍光顕微鏡を用いた画像解析と、走査型電子顕微鏡とX線分析装置を用いた微小領域化学分析を行うことにより、白亜紀における季節変動や年スケール気候変動の復元を進めています。そして、白亜紀という1億年前においても、太陽活動と地球の気候変動が関係していたという証拠が見られるかどうかを実証的に解明することを試みています。
図 (左) モンゴル白亜系湖成層に見られる年縞．約5 mm に約80 年間の古気候情報を記録。
(右) 年縞をSEM-EDX で5 μm 間隔で分析．季節毎に特徴的な元素組成変動が見られる。
藤原 均／Ａ０４（成蹊大学）
中間圏下部熱圏H2O・HOx光化学モデルの開発研究
中間圏・下部熱圏におけるH2O(水蒸気)、HOxの時空間変動を再現・推定可能な数値モデルの開発を目的とする。中間圏・熱圏でのH2O やHOx は、上層大気の寒冷化の結果生じている夜光雲や中間圏・上部成層圏でのオゾン破壊とも深く関係する大気成分であり、観測、モデリング研究の両方を進める必要がある。本研究では、特に我が国では実施されてこなかったモデリング研究をスタートさせ、既存の大気大循環モデル(GCM)に組み込むことにより、気候変動や太陽活動変化によって生じるH2O やHOx 変動の推定を試みる。
これまでに当研究グループによって、中間圏・熱圏・電離圏領域での大気変動を調べるために、全大気領域と電離圏領域を包含する3次元モデル(Ground-to-topside model of Atmosphere and Ionosphere for Aeronomy: GAIA)が開発されてきた。このモデルは、下層大気の影響による中間圏・熱圏・電離圏変動などを良く再現し、変動の物理機構の解明に極めて有効であることが確認されている。本研究では、GAIAに組み込むための化学モデル(H2O、HOxモデル)を開発し、太陽活動変化や高エネルギー粒子の降り込みがあった際のH2O、HOx変動を調べる計画である。地球温暖化などの結果として現れる上層大気変動の理解に加え、太陽活動変化等による地球環境変動の理解を深めたいと考えている。
黒田 友二／Ａ０４（気象庁気象研究所）
太陽活動が海洋変動と気候に与える影響の解明
本研究課題では、観測された海洋および気象データと、計算機上で太陽黒点周期変動として想定される太陽放射等の変動で駆動した地球大気海洋を模した地球システムモデルとよばれる数値モデルを用いて、太陽活動が海洋変動を作り出すメカニズム及びそれと気候変動との関係を明らかにすることを目的としている。研究にあたっては、名古屋大学宇宙地球環境研究所客員教授の小寺邦彦氏らと連携し、主に以下のテーマについて研究を行う。
1、観測データの解析 : 気象庁等で収集された水深700ｍまでの海洋水温と塩分データを気象場の再解析データと組み合わせて解析することにより、太陽活動に同期した海洋および大気の変動を抽出する。
2、地球システムモデルの実行と解析： 太陽活動の変動に伴う放射変動等を外力とした気象研究所地球システムモデルの長期積分を実行し、モデル中に現れた海洋および大気の変動を観測と比較しながら解析する。
堀田 英之／Ｂ０１（千葉大学）
太陽対流層大規模数値計算を用いた平均場パラメタ推定の精密
太陽活動の5年前予想を目指して、PSTEPのA04計画研究では、平均場モデルや表面磁束輸送モデルを用いたアプローチを行っている。これらは、計算が簡単でかつ容易に観測データと数値計算を融合できる反面、乱流に関するパラメータについては、大きな仮定をしなければならず、そこが予測やマウンダー極小期のような極端な状況下を考えるときの問題となってしまう。本公募研究では太陽内部の熱対流の直接計算により、ほとんど仮定なく計画研究で必要な乱流パラメータを導出することを目的とする。本研究で特に見積もりをするのは角運動量輸送のパラメータである。これまでに磁場については、テスト場法と呼ばれる方法で磁場生成の乱流パラメータを見積もることが確立しているが、角運動量輸送については、まだ上手い方法がない。本研究では、テスト場法を角運動量輸送にも拡張することで、直接計算からパラメータを求める。また、我々のチームでは、これまでに世界最大解像度の計算を実行しており、これまで無視されていた乱流的磁場のエネルギーが運動エネルギーと同程度になっている。そのため、磁場生成の乱流パラメータについても高解像度化での見積もりを再度行う必要があると考えている。
天野 孝伸／Ｂ０１（東京大学）
大規模運動論的シミュレーションで解き明かす内部磁気圏の物理素過程
宇宙環境の変動予測に重要な地球内部磁気圏の数値シミュレーションモデルの開発・整備は世界的にも大きな課題となっています。内部磁気圏領域でプラズマ圧力の大部分を担う高エネルギーの環電流粒子のダイナミクスを記述するには運動論的取り扱いが必須であると同時に、背景プラズマ・電磁場との自己無撞着な結合をモデル化する必要がありますが、既存の数値手法では取り扱うことが困難でした。本研究では背景の冷たいイオン・電子を流体とし、高エネルギーの環電流粒子を運動論的粒子として扱う新しい数値手法を用いた大規模数値シミュレーションによって、内部磁気圏物理の素過程を明らかにします。大規模磁気嵐を引き起こす主要因である環電流粒子のダイナミクスを理解し、それによって引き起こされる磁気流体波動や巨視的な磁場変動、更にはそれらに伴う放射線帯電子の加速や輸送過程に迫ることが本研究の大きな目的です。
笠原 禎也／Ｂ０１（金沢大学）
プラズマ波動の伝搬特性を利用した地球磁気圏環境の解析システムの開発
本研究では、地球磁気圏内を伝搬するプラズマ波動の特性を利用して、科学衛星による in situ の観測データから地球磁気圏プラズマ環境の全体像を推定する技術開発に取り組みます。そのために、ELF/VLF帯のプラズマ波の伝搬ベクトルやポインティングフラックスを衛星観測データから精度よく推定し、得られた伝搬パラメータと矛盾しない磁気圏内のプラズマ空間分布や波動の波源分布を同定する方法を確立します。これらの解析手法はいずれも少ない観測データ（結果）から原因を推定する「逆問題」と呼ばれますが、我々は（１）「波動分布関数法」を用いた波動の伝搬パラメータ推定、（２）波動の伝搬路を理論的に求めるレイトレイシングを駆使することで、これらの問題に取り組んでいきたいと考えております。
堀 久美子／Ｂ０１（名古屋大学）
回転磁気流体波動に注目した太陽周期活動の多様性の究明
太陽磁場における多様な時間変動は、太陽内部の対流層の物理状態を反映している可能性がある。本公募研究では、太陽磁場（特にグローバル構造）における時間変動の精査とそのデータ解釈にむけた基礎理論の構築とを目指す。注目するのは、11年周期の他に優位な周期性の有無、その空間構造、そして、その周期性と対流層内部ダイナミクスとの関連である。対流層内部、特に、その深部に位置するタコクライン層で励起されうる波動が、多様な磁場変動を生成している可能性が指摘されている。もし波動による寄与が確認できた場合には、その伝播速度と理論分散関係式を用いることで、対流層内の物理量を推定することも原理的には可能である。直接観測することができない太陽内部物理量の推定は、太陽ダイナモモデルにとって重要な制約を与えるため、本新学術領域が目指す次期太陽周期の活動予測や太陽地球圏環境の長期予測への貢献が期待できる。
本公募研究は、地球内部物理学などの他分野で蓄積されてきた手法や知見を太陽内部物理学に適用可能かどうか検討しながら進めていく予定である。
木村 芳文／Ｂ０１（名古屋大学）
太陽活動から地球環境への影響予測のための数理モデル
本研究課題は太陽活動の周期性/間欠性における数理的構造とそこに存在するメカニズムを解明し、それらが地球環境に及ぼす影響を数理モデルの構築によって理解し、予兆を察知し正確な予測に寄与することを目的としています。研究にあたっては、名古屋大学多元数理科学研究科の大平 徹教授と藤江双葉准教授と連携し、以下の２つのテーマについて研究を行います。
[a] 太陽活動における非線形現象の考察とモデルの構築 : (1) 渦と磁力線のリコネクションモデル、(2) 地球双極子磁場の摂動モデル
[b] 太陽活動の地球環境への影響を示すための指標の考案： (1) 電力通信ネットワークのもつ脆弱性の指標のグラフ理論に基づく開発，(2) グラフダイナミカルシステムによるネットワークの過渡的現象
三宅 洋平／Ｂ０１（神戸大学）
地球電磁気環境じょう乱―衛星表面相互作用に基づく衛星帯電の数値モデリング
本研究では、衛星障害の原因となりうる衛星帯電現象と、太陽活動度によりダイナミックに変動するプラズマ環境の間の相関を数値シミュレーション解析により明らかにし、太陽地球圏環境予報システムの開発に役立てます。特に粒子モデルの大規模プラズマシミュレーションを用いて、衛星帯電現象をプラズマ―固体表面相互作用の過渡応答を含めて正確に再現することを目指します。これにより、従来の帯電解析ソフトウェアではカバーされなかった、プラズマシース、航跡、電位障壁など衛星表面近郷環境中での荷電粒子加減速プロセスや、プラズマ波動現象の効果を含めた、より高精度な帯電予測が可能になります。
このような試みは、地球電磁気環境変動の詳細な物理描像と、人工衛星システムという社会インフラとの間の関わりを、経験則に頼らずシステマティックに評価できるようになるという点で大きな意義があります。
松本 倫明／Ｂ０１（法政大学）
適合格子細分化法を用いた太陽圏磁場の動的モデルの構築
この研究はMHDシミュレーションにもとづいて、太陽圏の数値モデルを構築することを目的としています。この研究の特色は、MHDシミュレーションに適合格子細分化法（AMR法）を採用することです。AMR法を用いることにより、分解能が必要な太陽圏の内側と電流シートを選択的に高解像で分解し、全体として高精度な数値シミュレーションを実現すると考えています。AMR法を用いた太陽圏のシミュレーションは米国が先行していますが、国内ではまだ未着手なので、この研究の推進が急務です。
この太陽圏の数値モデルは、現在の太陽圏を再現するだけではなく、マウンダー極小期をはじめとするグランドミニマムにおける太陽圏も再現することも目標にしています。グランドミニマムは太陽活動の静穏期で、地球の気候が寒冷であった小氷期と関係があると言われています。太陽圏と気候変動との関係には、銀河宇宙線が介在すると指摘されていますが、物理過程はよくわかっていません。太陽圏内の環境変化に呼応して銀河宇宙線がどのように変調するかという問題も視野にいれてこの研究を進めています。
秋吉 英治／Ｂ０１（国立環境研究所）
化学気候モデルを用いた太陽プロトンイベントのオゾンと気候に及ぼす影響に関する研究
本研究では、太陽プロトンイベントによるNOx、硝酸、オゾンの変動を介した下層大気への影響のメカニズムの解析を行って、太陽活動変動と中・下層大気の変動との関連を明らかにすることを目的とする。そのために、中・下層大気の気候と中性大気微量成分の化学反応、光解離反応、3次元分布を計算することができる国立環境研究所の3次元化学気候モデルと、それらの反応に加えてプロトンによる大気分子の解離反応、イオン反応、イオン再結合反応等も計算することができる理化学研究所の化学ボックスモデルを組み合わせたシミュレーションを行う。
まず、2003年に起こったハロウィンイベントに関するシミュレーションを行う。このシミュレーションでは、NOx、硝酸、オゾン等の衛星観測データとの比較を行ってモデルの検証を行う。さらに、1859年に起こった巨大太陽プロトンイベント（キャリントンイベント）に関するシミュレーションを行い、中層・下層大気に対する影響の解析を行う。
村主 崇行／Ｂ０１（理研）
深層学習を利用したリアルタイム太陽フレア予報システムの開発
いま、深層学習とよばれる、神経網をコンピュータで再現し学習により課題を解かせる方法が開発され、囲碁でトッププロに勝ったり、自動運転に使われたりするなど話題になっています。ところで、この深層学習を使いものにするには膨大な量のデータを与えてやる必要があり、最先端の深層学習研究を行えるのは大量のデータを保有するIT関係の大企業などに偏ってしまっています。ひるがえって、太陽分野では、同一の物理法則にもとづいて時間発展する対象の観測データが、数十年分にわたって蓄積されており、しかも太陽活動の予測は大きなチャレンジとなっています。この二分野が出会うことで、双方にブレークスルーをもたらす可能性があります。観測事実にもとづき予言能力のあるモデルを作るという目的で、機械学習と物理とは連続しているのです。
本研究では、深層学習技術を、経験則に基づくフレア予測に適用する場合、どのような手法が有効で、どれほどの精度が出るのか、予報性能を測定することで定量的に明らかにしていきます。また、これまでの宇宙天気予報で蓄積されてきた経験知を機械化し、機械学習が認識しているフレア前兆構造を可視化することで、太陽物理学の進展に寄与していきます。