[論文レビュー] Spatial And Temporal Changes Of The Geomagnetic Field: Insights From Forward And Inverse Core Field Models

Nicolas Gillet|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2019

Geomagnetism and Paleomagnetism Studies参考文献 123被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、地球の外核のダイナミクスを理解を進めるために、年間から千年規模の時系列にわたり、地球磁場の前方モデルと逆問題モデルを統合している。データ同化技術を用いて、人工衛星および考古磁気記錤データを含む観測データと地球発電磁流体力学（geodynamo）シミュレーションを統合することで、外核磁場の進化の推定値を改善できることを示しているが、外部磁場の干渉やエネルギーのスケーリング・カスケードおよび小スケールプロセスを正しく再現できないモデルの限界により、短時間スケールの変化を解明することは依然困難である。

ABSTRACT

Observational constraints on geomagnetic field changes from interannual to millenial periods are reviewed, and the current resolution of field models (covering archeological to satellite eras) is discussed. With the perspective of data assimilation, emphasis is put on uncertainties entaching Gauss coefficients, and on the statistical properties of ground-based records. These latter potentially call for leaving behind the notion of geomagnetic jerks. The accuracy at which we recover interannual changes also requires considering with caution the apparent periodicity seen in the secular acceleration from satellite data. I then address the interpretation of recorded magnetic fluctuations in terms of core dynamics, highlighting the need for models that allow (or pre-suppose) a magnetic energy orders of magnitudes larger than the kinetic energy at large length-scales, a target for future numerical simulations of the geodynamo. I finally recall the first attempts at implementing geomagnetic data assimilation algorithms.

研究の動機と目的

• 考古学的観測から人工衛星時代の観測にまで及ぶ、地球磁場モデルの現在の分解能および精度を評価すること。
• 短時間スケールの磁場変化を遮蔽する外部（電離圏／磁気圏）源からの信号を内部核信号から分離する課題に対処すること。
• 地球発電磁流体力学シミュレーションと観測データを統合するデータ同化の可能性を評価し、外核の状態とダイナミクスを推定すること。
• 特にエネルギーのスケーリング・カスケードおよび小スケールプロセスを正しく再現できない点で、現在の地球発電磁流体力学シミュレーションの主な限界を特定すること。
• 外積問題としての不確定性を考慮し、簡略化モデルおよび確率的パラメータ化がデータ同化をどのように改善できるかを検討すること。

提案手法

• 人工衛星（Oersted, CHAMP, Swarm）、観測所、考古磁気記錵、堆積物記錵から得られるガウス係数を用いて、地球磁場の前方モデルと逆問題モデルを実施する。
• アンサンブルカルマンフィルタ（EnKF）、最適補間（OI）、拡張状態カルマンフィルタなどのデータ同化技術を適用し、地球発電磁流体力学シミュレーションと観測制約を統合する。
• 外核磁場変動を年間から世紀規模で分析するために、磁気コリオリ（MC）波および磁気アーチメデス・コリオリ（MAC）波に基づく簡略化モデルを用いる。
• 地球発電磁流体力学シミュレーションからの動的制約を磁場モデルに統合し、特に考古磁気磁場モデルの正則化に「ダイナモノルム」を用いる。
• 特に考古磁気および堆積物記錵における測定誤差および未モデル化プロセスの不確実性を評価する。
• マルチバリアンス推論および地球発電磁流体力学状態と観測された長期変化（SV）の共分散を用いて、5年間のSV予測を改善するための同化戦略をテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の観測およびモデリング枠組みを用いて、年間から千年規模の地球磁場変化をどの程度正確に解像できるか。
• RQ2 外部磁場信号（例：電離圏電流）が、人工衛星データにおける急速で短波長の内部磁場変化の回復をどの程度制限するか。
• RQ3 地球発電磁流体力学シミュレーションと観測データを統合するデータ同化は、外核磁場の進化および長期変化の推定をどの程度改善できるか。
• RQ4 エネルギーのスケーリング・カスケードおよび反転挙動の観点から、現在の地球発電磁流体力学シミュレーションが地球に類似した外核ダイナミクスを再現するにあたり、どのような限界を有するか。
• RQ5 外積問題としての不確定性を考慮し、簡略化モデルおよび確率的パラメータ化は、データ同化における外核ダイナミクスの改善にどのように寄与できるか。

主な発見

• 1999年以降の人工衛星データ（Oersted, CHAMP, Swarm）はほぼ全球的カバーを提供しているが、極域の欠損と軌道のずれのため、長期的な外部磁場変化の解像度が制限されている。
• 地上観測および考古磁気記錵には空間的バイアスが存在する（特に北半球および中東に偏る）ため、感度カーネルは強く非一様である。
• 地球発電磁流体力学シミュレーションと観測データを統合するデータ同化により、マルチバリアンス推論およびカルマンフィルタリング手法を用いて、5年間の長期変化予測の精度が向上することが実証された。
• 現在の地球発電磁流体力学シミュレーションは、外核ダイナミクスのすべての主要な時スケールを同時に再現できず、過剰な拡散プロセスおよび実際のエネルギーのスケーリング・カスケードに必要な臨界アーベル数（A < O(1)）に到達できないことが主な要因である。
• 小スケールプロセスのパラメータ化は、シミュレーションにおけるアーベル数を低減するために不可欠であるが、逆エネルギー・カスケードを示す乱流・回転磁流体力学のためのこのようなモデルは現時点では存在しない。
• MC/MAC波に基づく簡略化モデルは、年間から世紀規模の外核磁場変化を分析する有効なツールであり、データ同化フレームワークへの統合に特に適している。