[論文レビュー] Long-term changes in solar activity and irradiance

Theodosios Chatzistergos, N. A. Krivova+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2023

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、向上したプロキシおよび3次元磁気流体力学的シミュレーションを用いた長期的総日放射放射率（TSI）変動の再構築に関する進展をレビューする。マウンド・ミニマム以降のTSI上昇の上限を $2 \pm 0.7$ W m⁻² に設定し、歴史的Ca ii K観測データの強化と太陽磁気特徴の洗練されたモデリングを通じて、長期的太陽放射率再構築の不確実性を顕著に低減した。

ABSTRACT

The Sun is the main energy source to Earth, and understanding its variability is of direct relevance to climate studies. Measurements of total solar irradiance exist since 1978, but this is too short compared to climate-relevant time scales. Coming from a number of different instruments, these measurements require a cross-calibration, which is not straightforward, and thus several composite records have been created. All of them suggest a marginally decreasing trend since 1996. Most composites also feature a weak decrease over the entire period of observations, which is also seen in observations of the solar surface magnetic field and is further supported by Ca II K data. Some inconsistencies, however, remain and overall the magnitude and even the presence of the long-term trend remain uncertain. Different models have been developed, which are used to understand the irradiance variability over the satellite period and to extend the records of solar irradiance back in time. Differing in their methodologies, all models require proxies of solar magnetic activity as input. The most widely used proxies are sunspot records and cosmogenic isotope data on centennial and millennial time scale, respectively. None of this, however, offers a sufficiently good, independent description of the long-term evolution of faculae and network responsible for solar brightening. This leads to uncertainty in the amplitude of the long-term changes in solar irradiance. Here we review recent efforts to improve irradiance reconstructions on time scales longer than the solar cycle and to reduce the existing uncertainty in the magnitude of the long-term variability. In particular, we highlight the potential of using 3D magnetohydrodynamical simulations of the solar atmosphere as input to more physical irradiance models and of historical full-disc Ca II K observations encrypting direct facular information back to 1892.

研究の動機と目的

• 衛星観測時代を超えた長期的総日放射放射率（TSI）再構築における不確実性を低減すること。
• 太陽磁気特徴の歴史的Ca ii K観測データを活用することで、太陽放射率再構築の精度を向上させること。
• 最新の3次元磁気流体力学的シミュレーションを用いて、恒常的TSI変動の大きさを制約すること。
• 歴史的太陽プロキシ記録の不整合を解消し、長期的TSI再構築をキャリブレーションすること。
• フレクラと磁気ネットワーク構造が、世紀〜ミレニアムスケールの長期的放射率変化を引き起こす役割を評価すること。

提案手法

• 太陽表面の磁気場およびそのTSIに与える放射的影響をモデル化するための3次元磁気流体力学的シミュレーションの活用。
• 1892年以降の明るい磁気特徴の歴史的Ca ii K観測データから、半経験的モデルを用いてTSIを再構築。
• 衛星測定値と磁気プロキシを用いて、複数のTSI合成記録を相互にキャリブレーション。
• コズモゲネティック核種データ（例：¹⁴C）と sunspot 記録を統合し、再構築をホロセーンにまで拡張。
• 改良された sunspot 数シリーズ（例：MEA20, CEA20）および plage 面積合成データを用いて、プロキシの信頼性を向上。
• 43件を超える歴史的Ca ii Kアーカイブを体系的に処理・デジタル化し、誤ったトレンドを低減し、データの一貫性を向上。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マウンド・ミニマム終了時から2019年の太陽活動最小期に比べ、総日放射放射率（TSI）の上昇の上限は何か？
• RQ2 歴史的Ca ii K観測データは、長期的TSI再構築の精度をどのように向上させ得るか？
• RQ3 歴史的Ca ii Kアーカイブの不整合性が、放射率再構築に誤ったトレンドをもたらす程度はどの程度か？
• RQ4 現在のモデルは、磁気プロキシを用いて、長期的太陽放射率変動をどの程度正確に再現できるか？
• RQ5 フレクラと磁気ネットワークが、世紀〜ミレニアムスケールのTSIの恒常的変化を引き起こす役割は何か？

主な発見

• マウンド・ミニマム終了時から2019年の最小値に比べ、総日放射放射率（TSI）上昇の上限が $2 \pm 0.7$ W m⁻² に設定された。
• 歴史的Ca ii K観測データのデジタル化と処理において顕著な進展が見られ、1892年までさかのぼる半経験的TSI再構築が、精度を向上させながら可能になった。
• Ca ii Kアーカイブの乖離は依然として主要な課題であり、長期的再構築における誤ったトレンドを避けるためには、これを解消することが不可欠である。
• 1996年以降のTSI最小値の長期的低下傾向は、複数の合成記録で観測されており、表面磁気場およびCa ii Kデータによって裏付けられているが、その大きさは依然として不確実性を伴う。
• 3次元磁気流体力学的シミュレーションは、太陽磁気特徴の放射的影響を物理的に一貫した枠組みで推定する手段を提供し、経験的プロキシへの依存度を低減した。
• コズモゲネティック核種を用いたホロセーンへの再構築は、時間分解能が低く、モデル依存の仮定があるため、依然として間接的で不確実性を伴う。