[論文レビュー] The standard flare model in three dimensions. II. Upper limit on solar flare energy

G. Aulanier, P. Démoulin+4 more|Discovery Research Portal (University of Dundee)|Dec 10, 2012

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 63被引用数 75

ひとこと要約

本研究では、観測された太陽 sunspot の特性にスケーリングされた3次元磁気流体力学（MHD）シミュレーションを用いて、太陽フレアエネルギーの上限を推定した。現実的な sunspot 群の制約のもとで、高剪断の二重磁気層構造をモデル化した結果、太陽は最大で約6×10³³ ergのフレアを発生させ得ることが判明した。これは、2003年11月4日観測された最も強力なフレア（X28–X40）の約6倍のエネルギーに相当する。

ABSTRACT

Solar flares strongly affect the Sun's atmosphere as well as the Earth's environment. Quantifying the maximum possible energy of solar flares of the present-day Sun, if any, is thus a key question in heliophysics. The largest solar flares observed over the past few decades have reached energies of a few times 10^{32} ergs, possibly up to 10^{33} ergs. Flares in active Sun-like stars reach up to about 10^{36} ergs. In the absence of direct observations of solar flares within this range, complementary methods of investigation are needed. Using historical reports for solar active region, we scaled to observed solar values a realistic dimensionless 3D MHD simulation for eruptive flares, which originate from a highly sheared bipole. This enabled us to calculate the magnetic fluxes and flare energies in the model in a wide paramater space. Firstly, commonly observed solar conditions lead to modeled magnetic fluxes and flare energies that are comparable to those estimated from observations. Secondly, we evaluate from observations that 30% of the area of sunspot groups are typically involved in flares. This is related to the strong fragmentation of these groups, which naturally results from sub-photospheric convection. When the model is scaled to 30% of the area of the largest sunspot group ever reported, with its peak magnetic field being set to the strongest value ever measured in a sunspot, it produces a flare with a maximum energy of ~ 6x10^{33} ergs. The results of the model suggest that the Sun is able to produce flares up to about six times as energetic in total solar irradiance fluence as the strongest directly-observed flare from Nov 4, 2003. Sunspot groups larger than historically reported would yield superflares for spot pairs that would exceed tens of degrees in extent. We thus conjecture that superflare-productive Sun-like stars should have a much stronger dynamo than in the Sun.

研究の動機と目的

• 太陽の磁気活動の物理的制約に基づき、理論的な太陽フレアエネルギーの上限を特定すること。
• 太陽が、太陽に似た星で観測された超フレア（superflares）に相当するエネルギーを、その観測された磁気的および構造的特性に基づいて発生させられるかどうかを評価すること。
• sunspot 群のサイズと磁場強度が、最大フレアエネルギーの可能性に与える影響を調査すること。
• 現在の太陽発電ダイナモ条件のもとで、このような極端なフレアが発生する可能性を評価すること。
• 歴史的観測を超えた極端な宇宙天気リスクを推定する物理的根拠を提供すること。

提案手法

• 高剪断の二重磁気層からの爆発的フレアをシミュレートする3次元ゼロ-β MHD シミュレーション（OHMコード）を用い、観測されたコロナおよびチャンバーロスフィア現象と照合した。
• 歴史的 sunspot および活動領域データ（面積、磁場強度、フラックス分布）を用いて、シミュレーションを観測された太陽の値にスケーリングした。
• 対流圏下の対流および活性領域の破壊的効果に起因する、フレアに参加する sunspot 群面積の割合（30%）を観測的制約として適用した。
• ピーク磁場を3.5 kG、グループ面積を歴史上最大の記録された sunspot 群に設定することで、モデル出力を観測されたフレアエネルギーに一致させた。
• 磁束、面積、フレアエネルギーのスケーリング則を用いて、極端な状態への外挿を実施した。
• 既知の太陽フレアエネルギー（例：2003年11月4日フレア）および星間超フレア（例：Maehara et al. 2012）と照合して、結果の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の太陽ダイナモ条件のもとで、太陽フレアが到達できる最大エネルギーは何か？
• RQ2 太陽が、太陽に似た星で観測された超フレアに相当するエネルギーを、その物理的制約のもとで発生させられるか？
• RQ3 観測された sunspot 群のサイズと磁場強度は、潜在的なフレアエネルギーにどのように制限を加えるか？
• RQ4 通常、フレア活動に参加する sunspot 群の面積の割合はどれくらいで、これはエネルギーのスケーリングにどのように影響するか？
• RQ5 太陽に観測された超フレアが存在しないのは、物理的限界のためか、観測バイアスのためか？

主な発見

• 最大の歴史的記録された sunspot 群とそのピーク磁場3.5 kGにスケーリングしたモデルでは、最大で約6×10³³ ergの太陽フレアエネルギーを予測した。
• この上限エネルギーは、2003年11月4日のX28–X40フレア（観測史上最大）の約6倍のエネルギーに相当する。
• 本研究では、通常、フレアに参加するのは sunspot 群面積の30%であると判明した。これは、対流圏下の対流および活性領域の破壊的効果と関連している。
• 10³⁶ ergを超えるフレア（星間超フレアの典型的なエネルギー）は、緯度・経度で48°以上をカバーする sunspot 群ペアを必要とし、これは観測された太陽のいかなる特徴とも著しくかけ離れている。
• 結果から、太陽の現在の対流ダイナモでは、このような巨大な sunspot 群を生成する可能性は極めて低いことが示唆され、超フレアが太陽で発生する可能性は物理的にほとんどないことが示された。
• エネルギー上限は、400年間にわたる直接観測記録において超フレアが観測されていないことと整合しており、このようなイベントは現在の太陽よりも強い星間ダイナモを要するという仮説を支持している。