[論文レビュー] Solar dynamo as host power pacemaker of the Earth global climate

V. D. Rusov, E. P. Linnik+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 21被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、仮説的なアキソン媒介メカニズムを通じて太陽のダイナモが、太陽磁場変動と地球の地球物理的プロセスを同期化することで、地球の気候のペースメーカーとして機能すると提案する。非線形的振動が太陽のタコクリン層における磁束に相関し、地球の磁場、回転、海面上昇、地震活動と関連していることが示され、van der Pol–Duffing方程式に基づく気候の分岐モデルに太陽出力ペースメーカー項を組み込むことで、氷河期を含む長期気候傾向を正確に再現している。

ABSTRACT

It is known that the so-called problem of solar power pacemaker related to possible existence of some hidden but key mechanism of energy influence of the Sun on fundamental geophysical processes is one of the principal and puzzling problems of modern climatology. The "tracks" of this mechanism have been shown up in different problems of solar-terrestrial physics for a long time and, in particular, in climatology, where the solar-climate variability is stably observed. However, the mechanisms by which small changes in the Sun's energy (solar irradiance or insolation) output during the solar cycle can cause change in the weather and climate are still unknown. We analyze possible causes of the solar-climate variability concentrating one's attention on the physical substantiation of strong correlation between the temporal variations of magnetic flux of the solar tachocline zone and the Earth magnetic field (Y-component). We propose an effective mechanism of solar dynamo-geodynamo connection which plays the role of the solar power pacemaker of the Earth global climate.

研究の動機と目的

• 11年周期における太陽放射の微小な変動が顕著な気候変動を引き起こすメカニズムを解明すること。
• タコクリン層における太陽磁気活動と地球の地球物理的系（気候、回転、磁場）を結ぶ物理的メカニズムを特定すること。
• 太陽ダイナモ-地磁気ダイナモの連関を地球気候システムの根本的ペースメーカーとして確立すること。
• 太陽出力ペースメーカー機構が長期気候モデルに組み込まれ、その正確性に不可欠であることを実証すること。
• 太陽磁束変動と地球の気候的・地球物理的パラメータとの一貫性のある相関関係を示すことにより、モデルを検証すること。

提案手法

• 57Fe太陽アキソンが逆一様コherent Primakoff効果を介して太陽ダイナモと地球の地磁気ダイナモ間のエネルギー移動を媒介すると提案する。
• 年単位および千年単位のスケールにおける非線形的気候ダイナミクスを記述するため、van der Pol–Duffingオシレーター方程式に基づく地球気候の分岐モデルを用いる。
• 回転および熱的気候応答をモデル化するため、$ U = -\frac{1}{2} \xi^2 \nu^2 + \frac{1}{4} \xi^4 \nu^4 $ の形の気候的ポテンシャルを導入し、$ \nu \sim \Delta\omega/\omega $ とする。
• 地球の回転速度のダイナミクスと太陽駆動との関連を記述するため、方程式 $ \xi m \dot{\nu} = -\mu [\xi^2 (\Delta t)^2 \nu^2 - \lambda] \xi \nu - \frac{1}{\xi \Delta t} \frac{\partial U}{\partial \nu} $ を適用する。
• 地球の回転変化と全球気温の間の5年遅れ応答を、$ \nu \sim kT_{t - t_{\text{lag}}} $ として時間遅れ応答をモデル化し、気候応答における観測された遅れを説明する。
• 長期的（10,000年）気候進化を記述するため、モデル内の時間微分項を静的平衡条件 $ \partial_T U' = T^3 + a'T + b' = 0 $ に置き換え、太陽ペースメーカーを再正規化されたパラメータを介して組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10年スケールで、太陽タコクリン層の磁束変動と地球磁場Y成分との強い負の相関を説明する物理的メカニズムは何か？
• RQ2 11年周期における太陽放射の微小な変化がどのように大規模な気候変動を引き起こすのか？
• RQ3 太陽ダイナモは、地磁気ダイナモと一貫した物理的接続をもって、地球気候システムのペースメーカーとして機能できるか？
• RQ4 逆Primakoff効果によるアキソン媒介エネルギー移動が、太陽-地球気候結合を確立する上で果たす役割は何か？
• RQ5 太陽出力ペースメーカー項を含めることで、氷河期-間氷期サイクルの再現が向上するなど、長期気候モデルの正確性がどのように向上するのか？

主な発見

• 太陽タコクリン層の磁束変動と地球磁場Y成分の時間的変動の間には強い負の相関が存在し、これは $ \delta Y/\delta t \propto \delta D/\delta t $ を満たす観測所でのみ観測されており、地磁気ダイナモ-太陽ダイナモのリンクを示唆している。
• モデルは、分岐モデルに埋め込まれた太陽出力ペースメーカー機構が、地球の回転速度変化と全球気温シフトの間の観測された5年遅れを説明できることを示している。
• 太陽ペースメーカーを組み込んだ地球気候の分岐モデルは、全球気温および氷体積の観測された長期的傾向を高い精度で再現している。
• 同じ非線形オシレーター方程式（van der Pol–Duffing型）が、太陽のトロイダル磁場の進化と地球の気候ダイナミクスの両方を記述しており、統一された物理的メカニズムを示している。
• 10,000年スケールの平衡形 $ \partial_T U' = T^3 + a'T + b' = 0 $ は、太陽ペースメーカー機構がモデル内に隠蔽されているのではなく、パラメータの再正規化を通じて埋め込まれていることを確認している。
• アドホックな調整なしに既知の古気候傾向を再現できるモデルの能力は、太陽ダイナモ-地磁気ダイナモの連関が気候ペースメーカーとして物理的に現実的であるという強力な証拠を示している。