[論文レビュー] The solar magnetic field since 1700: II. Physical reconstruction of total, polar and open flux

Jie Jiang, R. H. Cameron+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 45被引用数 31

ひとこと要約

本研究では、太陽 spots 数データと経験的統計的関係から導出された半合成的 sunspot group 記録を駆動源とする表面磁気輸送モデルを用いて、1700年から現在までの太陽磁場およびハリオスフィア開放磁束を再構築した。モデルは観測された極地方および開放磁束の傾向を再現し、極地方磁束強度とその後のサイクルアーマチュアの強い相関関係を確認した。また、1793–1800年頃に仮定される「失われた」サイクルを導入すると、宇宙線核種記録と矛盾することを示した。

ABSTRACT

We have used semi-synthetic records of emerging sunspot groups based on sunspot number data as input for a surface flux transport model to reconstruct the evolution of the large-scale solar magnetic field and the open heliospheric flux from the year 1700 onward. The statistical properties of the semi-synthetic sunspot group records reflect those of the observed the Royal Greenwich Observatory photoheliographic results. These include correlations between the sunspot numbers and sunspot group latitudes, longitudes, areas and tilt angles. The reconstruction results for the total surface flux, the polar field, and the heliospheric open flux (determined by a current sheet source surface extrapolation) agree well with the available observational or empirically derived data and reconstructions. We confirm a significant positive correlation between the polar field during activity minimum periods and the strength of the subsequent sunspot cycle, which has implications for flux transport dynamo models for the solar cycle. Just prior to the Dalton minimum, at the end of the 18th century, a long cycle was followed by a weak cycle. We find that introducing a possibly `lost' cycle between 1793 and 1800 leads to a shift of the minimum of the open flux by 15 years which is inconsistent with the cosmogenic isotope record.

研究の動機と目的

• 物理的モデリングを用いて1700年以降の太陽磁場の大規模な進化を再構築すること。
• 表面磁気輸送モデル（SFTM）を観測的および経験的データ（極地方磁束および開放磁束再構築）と照合すること。
• 太陽最小期における極地方磁束強度と次の sunspot サイクルのアーマチュアとの物理的関連を調査すること。
• ダロン最小期に近い時期に潜在的な欠落した sunspot サイクルが開放磁束の進化に与える影響を評価すること。
• 再構築された開放磁束が、氷核に含まれる10Beなどの宇宙線核種記録と整合的であるかを評価すること。

提案手法

• 表面磁気輸送モデル（SFTM）は、太陽表面における径方向磁束の広義的拡散方程式を解き、非均一回転、緯度方向流れ、乱流拡散を組み込む。
• 磁束発生の源項 S(λ,φ,t) は、RGO フォトヘリオグラムデータからの太陽 spots 群の性質（面積、緯度、経度、傾き角）とサイクルアーマチュアとの間の統計的相関に基づく半合成的 sunspot 群記録として生成される。
• 3次元的磁束減衰を考慮するため、径方向拡散（ηr）を含み、水平的拡散係数 ηH は250 km² s⁻¹ に固定されている。
• 現在のシート源表面（CSSS）モデルは、表面磁束を外挿してハリオスフィア開放磁束を計算する。
• モデルの妥当性は、観測された極地方磁束データおよび aa 指数と宇宙線核種からの再構築データを用いて評価される。
• 統計的不確実性は、半合成的源記録の独立した20回の実現を用いて、極地方および開放磁束における標準偏差を評価することで定量化される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽 spots 数データと統計的相関関係のみを用いて、表面磁気輸送モデルが観測された極地方および開放磁束の傾向をどれほどよく再現できるか。
• RQ2 太陽最小期における極地方磁束強度と次の sunspot サイクルのアーマチュアとの観測された相関関係の物理的根拠は何か。
• RQ3 1793年から1800年の間に仮定される「失われた」sunspot サイクルを含めると、宇宙線核種記録との整合性が向上するか。
• RQ4 sunspot 群の性質とサイクル強度との間の統計的関係から生じる源項の非線形性が、再構築された磁束の進化にどのように影響するか。
• RQ5 特に半合成的源記録におけるランダムな変動に起因するモデルの不確実性が、極地方および開放磁束再構築の信頼性にどの程度影響を及えるか。

主な発見

• 再構築された全表面磁束、極地方磁束、およびハリオスフィア開放磁束は、観測的および経験的再構築と良好に一致しており、モデルの物理的一致性が裏付けられた。
• 太陽最小期における極地方磁束強度と次のサイクルのアーマチュアとの間には顕著な正の相関関係が確認され、磁束輸送ダイナモモデルを支持する。
• 時間に依存する緯度方向流れや追加の減衰項を必要とせず、統計的相関から生じる非線形源項効果のおかげで、各サイクルにおける極地方磁束の反転が再現された。
• 1793–1800年の間に仮定される「失われた」サイクルを導入すると、ダロン最小期における開放磁束最小値が15年分ずれ込み、10Be 宇宙線核種記録と矛盾することを示した。
• 開放磁束の標準偏差は、最大期には平均値の最大13％に達する一方、極地方磁束の標準偏差は低く保たれ、開放磁束推定値の不確実性がより高いことを示した。
• 全シミュレーション期間を通じた平均標準偏差は、極地方磁束および開放磁束の両方で平均値の約10％であり、再構築における中程度の不確実性を示した。