地磁気活動の季節変化と長期変化
田 明 夫
博士 学術
総合研究大学院大学
複 合 科 学 研 究 科
極 域 科 学 専 攻
地磁気活動の季節変化と長期変化
田 明 夫
総合研究大学院大学
複合科学研究科
極域科学専攻
２００８
謝辞
総合研究大学院大学の学生として極地研究所 学ぶ機会を与えて さ た島村英紀 元所長 佐藤夏雄教授 渋谷和雄教授に深謝しま
昭和基地 K index デヴシをこれま 計測して来られた観測隊員諸氏の労に謝 る
とと に Hermanus観測所のK indexデヴシを快く提供して さ たPieter Kotze博士 気象庁地磁気観測所のK indexデヴシの内容に いて 種々 教示 さ た外谷 健 観測課長にお礼申し ま ACEデヴシの使用に関して ACE SWEAPAM instrument teamとACE Science Centerに また am index aa indexとAE indexデヴシ れ ら
太陽黒点デヴシを れ れ提供いた いたInternational Service of Geomagnetic Indices 京都大学理学研究科附属地磁気世界資料解析センシヴ Solar Influences Data Analysis Centerに感謝しま
極地研究所の門倉 昭準教授 ら 昭和基地の K index デヴシの解析の初期の段階
助言をいた ました 山岸久雄教授 空エルヴプの皆さん ら セミナヴ を通して多くのことを学 せていた ました 西田篤弘元宇 科学研究所長 ら
dayside reconnectionと地磁気活動の半 周変化に いて 情報通信研究機構宇 環境計
測エルヴプの國武 学博士 ら 地磁気活動の長期変化と電離層環境の変化との関連 性に いて また 同エルヴプの亘 慎一博士 ら 太陽活動の変化に いて れ れ貴重 多くの 教示をいた ました 気象庁の小林昭夫氏 細 耕司氏に 一 部 図の作成を手伝 ていた ました
研究を続ける 励まされ活力を受けた若 た頃 らの 人 横尾広光 谷川清 隆 高橋正清の諸氏に また 楽しい研究環境を く て さ た新しく知り合えた 若い大学院生の仲間に感謝しま
要旨
地磁気活動の季節変化及び長期変化を am index aa index AE indexを用いて調 れらと太陽風 太陽活動との関連に いて考察した 主 結果 sub-aurora帯の地 磁気活動指数 あるam indexに見られる半 周変化の主要因と考えられている
equinoctial effectの意味を明ら にしたこと ある am indexの暻あるい 均値
GSM 標系 geocentric solar magnetospheric coordinates のinterplanetary magnetic field IMF の南向 成分 Bs と太陽風速度 V の二乗の積の 均値 また れ れ
の 均値の積に比例 ること これま の多くの研究によ て示されている 本 論文 日々 時間毎に計測されるam indexのデヴシと ACE衛星デヴシ ら算出 したIMF及び速度の 時間 均値を使 て れらの関係をいろいろ 視点 ら詳細 に解析 ることにより 地磁気擾乱の生成に関わる暼効 太陽風速度 地球磁場の 極子軸に直角 成分 あること して半 周変化の主要因 あるequinoctial effect の 意味 の直交成分 たとえ太陽風速度 間を通して変わら たとして 地球の公転運動によ て季節変化 ること あることを定量的に明ら にした この
純 結果 長い間 見逃されて たことに いて 理由 ある の理由に いて 合わせて示した 半 周変化 aurora帯の地磁気活動指数 あるAE indexに関して 一見して明ら い れ 日射の影響を受けて AE indexと太陽風パラメヴ シとの関係に夏と冬 違い 存在 るた ある am indexとの相関関係を使 て 日射の影響を除くことにより AE indexに いて 半 周変化 存在してequinoctial
effect 作用している可能性を示した
2003 のaa indexの 均値 同指数 求 られている1868 以来の140 間に
おいて最大 あ た この高い地磁気活動の第一の要因 太陽風速度 間を 通して大 たた ある Bs の前後の数 と比 てとりわけ大 く
た am indexの 均値や暻 均値を用いた解析を基に 従来 ら指摘されている
am - BsV2相関関係 実 Vのrangeによ て変わり Vのrange 大 い場合の方 同
ii
BsV2の値に対してam 大 く るという性質 2003 の異常に高い地磁気活動に関
与していたことを示した
地磁気活動 太陽黒点数の変化と同位相 い 太陽活動の11 周期変化に伴 て変化 る この11 周期変化において 地磁気活動 と く たと の 均値 れに続くサイクルの太陽活動の極大値と相関を持 こと 知られてお り の相関関係を用いた太陽活動の予測 以前 ら行われている この予測手法の 物理的根拠 いま 明ら い am indexの変化を太陽風速度やIMFの変化と比 較 ることにより 地磁気活動の極小値 太陽表面 の磁場の強さを反映していると 見られることを示した して 太陽活動の極小期直前における太陽黒点数の減少率 次の太陽活動周期の極大値と関係していることを新しく見出し の関係を用いて 次のサイクル24の太陽黒点の極大値を予測した この予測 地磁気活動の極小値等 に基 く従来の手法による予測とおおよ 一致し サイクル24の太陽活動 最近数 回のサイクルと比 て小さ 規模に ると推定される 太陽活動極小期直前の黒点数 の減少率 次の極大期における太陽活動の規模と相関 ること 次のサイクルの準 備 前のサイクル 終わる数 前 ら始ま ていることを示唆 る この 長 期間のデヴシを用いた太陽活動と地磁気活動の関係の調査 ら 太陽活動極大期の黒 点数の暻 均値 70付近 110付近 140付近 180付近に集まる傾向 あることを 発見した これ 太陽活動の11 周期変化の振幅 連続的 量 く離散的 値 をとることを示しており 太陽ジイナモ理論を構築 る 重要 制約条件に ると 考えられる また この性質を基に太陽活動の長期的 変化を予測 る手 り 得 られる可能性 あると期待される
南極の昭和基地 1966 より地磁気活動の K index 計測されている このK
index を 地磁気活動の変動振幅に関して線形的 スケヴル ある a indexに変換し
indexの増大率 南半球の夏の季節の昼の時間帯 大 く 冬の季節 小さい ま
た 増大傾向 昼間 顕著 い夜の時間帯 夏と冬と 増大率に大 違 い 見られ い これに対して Hermanus 1980 代初 ま am indexとの比 逆に減少して た傾向 見られる また 柿岡 am index に相対的 うした 一方向 の変化 見られ い 昭和基地の地磁気活動の季節ン日変化 am index に 見られる季節ン日変化と比 て 昼の時間帯 半 周変化 明瞭 く 活 動 極大と る暻 3暻 9暻 く 南半球の初夏と晩夏に れるという特徴 ある これ 日射の影響を受けて夏に電離層の電気伝導度 大 く るた あると推定 される このことを考慮 ると 南極の夏の昼の時間帯 am index に相対的 昭和 基地の地磁気活動の増大傾向 明瞭 の 極域の電離層電気伝導度 次第に増大し て ていることを示しているの い と考えられる
iv
目次
第 章．序 1 第２章．季節変化 4
2.1. am indexンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンン 4
2.1.1. にンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンン 4
2.1.2. デヴシと解析ンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンン 6
2.1.3. 暻 均値に見られる半 周変化ンンンンンンンンンンンンンンンンンン11
2.1.4. 議論ンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンン12
2.2. AE indexンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンン16
2.2.1. にンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンン16
2.2.2. am indexとの相関ンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンン17
2.2.3. AE – BV2関係の季節による差異ンンンンンンンンンンンンンンンンンン19
2.2.4. AE indexの半 周変化とequinoctial effectンンンンンンンンンンンンンン21
第 章．地磁気活動と太陽活動 55
3.1. に ンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンン55
3.2. aa index と黒点数の相関 ンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンン56
3.3. 太陽活動の予測 ンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンン60
3.4. 議論 ンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンン64
第 章．昭和基地の地磁気活動の季節変化と経 変化 87
4.1. に ンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンン87
4.3.2. a indexの各暻の 均値の経 変化ンンンンンンンンンンンンンンンンン91
4.3.3. a indexの各時間帯の 均値の経 変化ンンンンンンンンンンンンンンン92
4.3.4. 各K indexの観測頻度の 々変動 ンンンンンンンンンンンンンンンンン93
4.3.5. 季節変化ンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンン94
4.4. まと と補遺 ンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンンン95
参考文献 112
vi
第1章．序
地 観測される周期 数日より 短い地磁気変化 主に磁気圏や電離層を流れる 電流に起因 る 磁気圏や電離層の電流 主に太陽風と地球磁気圏との相互作用に よ て くり される ら 電離層電流に 太陽放射によ て生 る高層大気の運動 くり の ある 地磁気活動を長期的に追跡していくことによ て 太陽風
―地球磁気圏相互作用の長期的 変化を調 ること る 地球の外核の電磁流体 ジイナモによ て くられている地球磁場 長期的に変化しており れに いての 考慮 必要 ある 周期 数日より 短い地磁気活動の季節による変化や太陽活動 の11 周期変化に付随した変化 さらに数十 ～100 の期間 の変化 主として 太陽風 風速及び の中の磁場 の変動によ て引 起こされていると考えてよい た し オヴロラ活動等に伴う電離層電流の強さ 電気伝導度の大 さに 依存 る 電離層の電気伝導度 太陽輻射の影響を受ける ら 特に夏と冬と 日射量 大 く 異 る高緯度 の地磁気活動 電気伝導度の変化の影響 現れる 更に 地磁気活 動の半 周変化の主要因 太陽風の変動 く 太陽の赤道面 地球の黄道面に 対して約7度傾いていること 地球の磁気 極子軸の方向 自転軸の方向と約11度違 ていること して地球の自転軸 黄道面に対して23.5度傾いていることのた に 太陽の赤道面と地球の 極子軸の 角 及び太陽と地球を結ぶ方向 地球の 極子 軸と 角度 れ れ地球の公転運動によ て変化 ることにあると見られるの 前者 Russell-McPherron effect 後者 equinoctial effectと呼 れる 地磁気活動 の変化 即 太陽風や太陽活動の変化を反映 るわけ い
本論文の第２章 sub-aurora 帯とaurora 帯の地磁気活動指数 ある am indexと AE indexの 太陽風速度及び惑星間空間磁場 interplanetary magnetic field；以 IMF
未解明 たequinoctial effectの物理的意味を定量的に明ら にしたこと ある この 発見の けと た 2003 の異常に高 た地磁気活動の原因調査に いて この検討の中 述 る 次い aurora帯の地磁気活動指数 あるAE indexの季節変
化に いて議論 る AE indexの季節変化の様相 am indexと異 り 日射の 変化
の影響を受けて 周変化 卓越 るた に 半 周変化及びequinoctial effectの存在 一見して明ら い 本論文 am index と対比させて の季節変化の特徴を 詳細に調 ることにより AE indexに いて equinoctial effect 働いていることを示
本論文 詳述 るように sub-aurora帯 の地磁気活動の半 周変化を たら 主要
因 太陽風や太陽活動 の のの変動 く 太陽 ら見たと の地球の 極子 磁場の空間的配位 地球の公転運動に伴 て変化 ること ある し し 地磁気活 動の 均値の長期的 変化 太陽風や太陽活動の変動を示 良い指標と こ と る うした視点に立 て 1868 に遡 て計測されているaa indexを基に 過去の太陽風や太陽活動の変化 さらに 太陽の輻射量の長期的変化に関 る情報を 得ようと る研究 これま 数多く されて た 地磁気活動 黒点と やや異
た位相 11 周期変動をしており 地磁気活動 直接的に反映 るの 黒点
く太陽風の消長と考えられる 地磁気活動 太陽活動の推移に いての興味深い指 標 ある 第 章 地磁気活動と黒点数の変化の関係を調 太陽活動極大期 の規模に関 る新しい知見を指摘 る また 黒点の11 周期変動のパシヴンを注意 深く ることによ て見出した経験的手法を用いて 次のサイクル24の太陽活動 の規模の予測を行う お 地磁気活動の長期的 変動の主要因 ある太陽風の変動
地球に飛び込 宇 線量の変動を たら こと 知られている して宇 線 大気中の雲の生成に関わ ているという を背景に 地磁気活動の変化 地球の気候 変動と相関 るという研究 鋭意 行われている これ 非常に興味深い話題 ある 地磁気活動と気候変動との直接的 関わり 本論文の主題 いの この 問題に いて 第 章の議論のところ 多少触れる程度に留 る
2
第 章 南極の昭和基地 40 以 にわた て計測されて たK indexデヴシ を基に 昭和基地 の地磁気活動の季節変化と長期変化の特徴に いて調査した結果 を記述 る ここ の解析の主眼 K index ら地磁気変動振幅に いて線形的 ス ケヴルに変換したa indexと 全地球的 am indexの比較 ある この比較と対照させ るた に Hermanus及び柿岡のK index ら求 た れ れの地点のa indexとam index との比較 行 た 昭和基地のa indexの季節ン日変化 am indexの季節ン日変化と 特に昼の時間帯 明瞭に異 る また 長期的 変化 注目されるの 昭和基地の
均値とam indexの 均値の比 経 的に次第に大 く て ていること あ
る わ am index に相対的に 昭和基地 の地磁気活動 増大して ている
の増大傾向 南半球の夏の季節の昼の時間帯 顕著 ある これに対してHermanus
1980 代の初 ま am indexに相対的に減少して た様子 見える 一方 柿岡
のよう 経 的 一方向 の変化傾向 見られ い
第２章．季節変化
2.1. am index
2.1.1. に
地磁気活動 春ン秋分時に大 く 夏 ン冬 の頃に小さいという傾向 150 以 前に発見された Sabine, 1852 れ以来 のよう 原因 季節変化 生 るの に いて 多くの研究者 関心を寄せて た これま に の原因に関して の 主 仮 提唱されている れら axial 仮 Cortie, 1912 equinoctial 仮
Bartels, 1932; McIntosh, 1959 して Russell and McPherron RM 仮 Russell and
McPherron, 1973 ある axial 仮 暻と 暻に地磁気活動 増大 るの
れらの季節に 地球を太陽面に投影した点 太陽赤道 ら と 離れた位置にく るた あると考える 黒点の周辺 太陽の活動領域を形成している 黒点 赤道 面付近 少 く 中緯度に比較的多く出現 るの 春ン秋の頃に 活動領域によ り近いところ らの太陽風を地球 受けることに るというの この仮 の依 て 立 根拠 ある これに対して equinoctial仮 鍵と るパラメヴシ 太陽を地球 表面 に投影した点の磁気余緯度 ある この磁気余緯度 太陽風 吹く方向と地球 磁場の 極子軸 角度に対応し 春分ン秋分時に 自転軸と 極子軸の差を考 え けれ 90度と るのに対して 太陽風 地球の自転軸に直角 方向 ら吹 付け る 夏 と冬 の頃 地球回転軸 黄道面と傾いているた に の角度 約 66.5 度と小さく る equinoctial仮 提唱されて に数十 経 して 後述
るように 近 equinoctial 仮 地磁気活動の半 周変化の主要因と されてい
るに わら 磁気余緯度の変化 地磁気活動の半 周変化と関係 る の これま 理解されてい た 本節 この equinoctial 仮 の物理的意味 に いて考察 る RM仮 geocentric solar magnetospheric GSM) 標系におい て 太陽赤道面 spiral lineを描くと仮定したと のIMF 4暻初 と10暻初 に と 大 南向 の成分を持 た し のと のBx成分の向 春と秋
4
逆と る という幾何学的 関係に注目 る
RM 仮 れ 1973 に発表されて以来 一般に と 多くの支持を受け
て た の理由として RM仮 IMFの南向 成分の大 さの変化に注目した ということ 挙 られる IMFの南向 成分 磁気圏昼側 のIMFと地球磁場の間
のmagnetic reconnectionにおいて本質的 役割を果た た し この仮 提唱され
た非常に早い段階 ら RM効果 季節変化の振幅の大 さを 明 るのに十分 い と指摘されて た Murayama, 1974; Berthelier, 1976; Schreiber, 1981) また 地磁気活 動の日変化の特徴 RM 仮 予想 る のと合わ いという批 あ た(Mayaud,
1978; Berthelier, 1990) こうした実際のデヴシに基 く反証 示されたに わら
RM仮 支持されたことに いて 衛星デヴシの 得によ て IMFの南向 成分
磁気圏昼側のmagnetic reconnection 決定的 役割を果た こと して の南向 成分の大 い時に強い地磁気擾乱 生 ること 益々明ら にされ あ たとい う時代背景 影響したと考えられる また 他方 観測デヴシとの整合性 RM 仮
より 良いと見られたequinoctial仮 magnetic reconnectionとの関わり
りし た し し ら 近 am indexやDst indexに基 く詳細 解析研究
によ て 季節変化におけるRM 効果 副次的 の 大部分 equinoctial効果に よ て生 ていること 明確に た(Cliver, Kamide and Ling, 2000; Cliver, Kamide, Ling and Yokoyama, 2001; O’Brien and McPherron, 2002) 現在 季節変化の主要因
equinoctial効果 あると 広く認 られているように思われる し し equinoctial効
果の意味に いて お明ら にされてい い(Cliver et al., 2004) 本論文 こ
のequinoctial効果 何を表している を明ら にし れ 磁気圏昼側 のIMFと地
球磁場の間のmagnetic reconnectionに深く関わ ていることを示
と表記した場合 これ GSM 標系 の太陽風速度のVx成分 わ 太陽と地球 を結ぶ方向の速度を表している の２乗に比例 ること これま の多くの研究に よ て示されている(Svalgaard, 1977; Feynman, 1980; Maezawa and Murayama, 1986) た
し am – BsV
2
関係を議論しているこれま の とん ての研究 れ れの
量の暻 均値や 均値 あるい Bs や V
2
の範 を適当に区 たと の 均値に 基 い た の あ る こ れ に 対 し て 本 論 文 時 間 毎 に 計 測 さ れ るam index (Menvielle and Berthelier, 1991)と V や Bs の 時間 均値を直接比較して れらの 関係を詳細に検討 る 太陽風パラメヴシの 時間 均値 ACE衛星 得されたヤ ベル２デヴシの時間値 ら計算した このと 太陽風 ACE衛星付近を通過して ら地球の磁気圏に到 るま 均して約 時間 ることを考慮して am indexと対 応させる 時間 均値を求 る際に ACEデヴシを 時間 らした
図２– equinoxes とsolstices を さん れ れ ±15日間(以 これらを
れ れ equinoctial epochs とsolstitial epochs と呼ぶ)における1998–2007 のデヴシ を使 て BBsV BsBV
2 BBsV に対 るamをプロッダして示した の ある これらの間
の差異 一見して明ら い am – B
3
sV 関係 に凸の傾向 見られ am – BsBV3 関係 BsBV 大 ところ 頭打 の傾向 見られる うした傾向 れ
れの暻 均値の間の関係をプロッダした図２–２ より明瞭に認 られる これ 過 去の多くの研究 示 ように am B
3
sV に比例 ると考えて良いことを示している た し am – B
2
sV2 関係において 同 BsVx2 に対してam ある幅を持 て分布してい ることに注意したい 実 この線形関係に見られる幅 る散ら り く 次に述 るように重要 意味を持 ている
季節変化におけるequinoctial effectの物理的意味を定量的に明ら に る 2003 の異常に高 た地磁気活動の原因を探る調査 大 糸口と た れ am – BsV2 関係において BsとV 2 同等の寄与をしてい いという 実の発見 ある
図２– 1998-2007 の期間における am index の 均値の変化を示した の ある 2003 に地磁気活動 突出して大 たこと 見てとれよう am index と同
6
く mid latitude における地磁気指数 1868 以来のデヴシ 存在 る aa index の 均値 2003 にこれま の最大値を記録している 図２– この2003 の異常に大 た地磁気活動の第一の原因 の の大 太陽風速度 あ た
ことを示 図２– 2003 の am index の暻 均値 赤丸 の比較として
太陽風速度 相対的に小さ た2001 の暻 均値 青丸 プロッダされている 図 ２– (a) (b) (c) れ れ am indexの暻 均値とBs V
2 BsV2の暻 均値との関
係を示した の これらの図 ら 2003 Bs 均に近 たのに 太陽風速 度 間を通して大 たこと わ る これに対して 2001 Bs 2003 より しろ大 あ た 2001 2003 のBsの 均値 れ れ 2.42と 2.13 太陽風速度 小さ た 図２– (c) 注目されるの 2003 の多くのデヴ シ am – BsV
2
関係の 限に近く分布しているのに対して 2001 のデヴシ しろ 限付近に分布していること ある Bs 2003 の各暻の 均値に比 て顕著に大
た暻に いて れ 言える これ 同 BsV
2
の値に対して のと のV
2
の
値 大 い方 am index 大 く ることを示唆 る このことに気 いたこと
後述 るように 季節変化の equinoctial effect の物理的意味を初 て定量的に明ら に るうえ たい ん役に立 た 同 BsV
2
の値に対応 る am index 2003
2001 に比 て 均的に大 あ たこと 個々の am index の観測値を BsV2 の
観測値に対してプロッダした図２– ら明ら に見てとること る 図２– BsV2 200000 - 300000 nTンkm2/sec2の範 のデヴシに いて am対Bs am対V2をプロ ッダして示した の ある これらの図 ら BsV
2
の値の範 同 と に Bs 小
さい わ V
2
大 い am index 大 く る傾向 あること 明ら
あろう 図２– (c) のam – V
2
散布図 ら また 図２– れ れのBsV
2
の 値に対して am index の散ら り 2001 に比 て2003 の方 大 いの 2003
い am – BsV
2
関係 am – BsV やam – BsV
3
関係より 線形性 良いこと 先に見た
Vのrangeに対 る依存性 am – BsV3 関係に いて 見られること ら れ
言える 図２– 2001 と2003 の れ れBsV
3 150000000 - 200000000 nTン km3/sec3の範 に入るデヴシに いて am index のBs及びV3依存性を見た の ある 図２– (c) ら この範 のBsV
3
に対して 図２– 見た のと同様の傾向 わ
Bs 小さい またV3 大 い am index 大 く る傾向のあること
わ る 過去に し し mid-latitudeにおける Ap index や am index BsVn (n>2) に比例 るという見方 されたこと ある 例え Crooker et al., 1977; Maezawa, 1979 これ 恐らく 見たam – BsV2 関係 V2のrangeに依存 るという性質のた
い と推定される
季節変化の equinoctial effect の意味を定量的に明ら に る am – BsV2 関係 V2のrangeに よ て 変 わ る こ と に 気 い た こ と 大 た 図 ２–８ equinoctial epochs と solstitial epochs れ れに いて V2の のrangeに対 るam – BsV2 関係
を示した の ある 同 rangeに いて equinoctial epochs とsolstitial epochs を比 る と BsV
2
同 値のと に前者の方 大 いという様子 見える これ equinoctial
effect を表している し し 先に述 たように V2のrange 大 い 同 BsV2に
対 る am index 大 く る このた に し ある期間における solstitial epochs
の 均的 V
2
同期間におけるequinoctial epochs の 均的 V2より 大 いと 同 BsV2に対して amの 均値 equinoctial epochs より solstitial epochs の方 大 い
という予想外の結果に る また Russell-McPherron effect によ て Bsの大 さに いて 多くの 季節変化 認 られるのに わら am index の各 の暻 均値に関して 通常 季節変化 りし いの V
2
の暻 均値 間を通し て一定してい いこと 関係している し し の場合 V
2
のrangeを同 に
れ equinoctial effect による季節変化 見えてくることを図２–８ 示している 以
に示 ように 季節変化の equinoctial effect を定量的に評価 るにあた て V2の
rangeを分けて調 ること 決定的に重要 た
8
equinoctial effect の原因を探るこれま の研究 equinoctial effect 太陽風パラ
メヴシの値に よら いと考えられて た Bモや太陽風速度 地磁気活動に大 影 響を与えること よく調 られ よく知られていた equinoctial effect れ らのパラメヴシと 無関係に働くと され 地磁気活動に対 る太陽風パラメヴシ の 影 響 と equinoctial effect と 分 離 る と 想 定 さ れ た (Svalgaard, 1977; Svalgaard, 2002; Cliver, Svalgaard and Ling, 2004) し し 例え V2のrangeを限ら に equinoctial epochs とsolstitial epochs の特定のBsV2の値に対 る am index の 均値を調 ると
の差異 BsV
2
の値によ て変わる 一方 V
2
を制限 れ の比 一定と る この 実を知 た 図２–８を見ていたと equinoctial effect に 太陽風速度
関 係 し て い る に 違 い い と い う 考 え 浮 ん れ ら 間 髪 を い れ に
equinoctial effect 地磁気擾乱の生成に暼効 太陽風速度 地磁気 極子軸に垂直
成分 あることを示しているの ろう という考えを思い いた この考え 論理的に突 詰 て得た結果 く しろ 直感的 の た この考えを 思い くと同時に これによ て 地磁気余緯度 equinoctial effect と関係 るの 理解 ることを悟 た 太陽風速度の地磁気 極子軸に直角 成分 れ に地磁気余緯度の正弦関数を掛けた のに相当 る ら ある
あと 定量的にこの考え equinoctial effect を 明 る う 確認 る作業 残る け ある の作業結果を示したの 図２– ～図２ ある 図２–
solstitial epochs の個々のデヴシのV2を 0.841 倍したと の am vs BsV2分布 equinoctial epochs の am vs BsV2 分布とよく重 り また BsV2の値の範 を区 て
の れ れ の 区 域 に 入 る デ ヴ シ に い て am index の 均 値 を 求 る と solstitial epochs の個々のデヴシのV2を 0.841倍した のの 均値 equinoctial epochs のデヴ シに いて求 た 均値と BsV
2
の値の の区域に いて よく一致していること
シと重 て見た場合を比較して示した の ある これらの図 ら 前者 明ら に solstitial epochs の am index equinoctial epoch の am index と比 て 側に分布 しているのに対して 後者 よく重 ていること 見てとれる 後者の場合 分 布の最小二乗回帰直線 equinoctial epochs と solstitial epochs と とん 違わ い 図２– V
2 200000 - 300000 km2/sec2 の範 のデヴシに いて 図２– ０と同
様 に equinoctial epochs と solstitial epochs の デ ヴ シ 及 び equinoctial epochs と solstitial epochs のデヴシのV2を0.841倍した場合に いて am vs BsV2 分布を重 て比
て 見 た の こ の 速 度rangeに い て solstitial epochs の 個 々 の デ ヴ シ のV
2
を
0.841倍して重 てプロッダした分布 equinoctial epochs のデヴシの分布と 重
り 最小二乗回帰直線 一致 ること わ る 図２– ２ Bsの 大 さ デヴシを区分けして am – V
2
関係を見た の ある Bsの値 同 デヴ シに限ることによ て Russell-McPherron effect ま たく関与 る余地の い状況 の 太陽風速度に依存 る equinoctial effect を純粋に調 ること る これらの 図を見ると Bsの大 さ の範 の ての場合に いて solstitial epochsのデヴ シのV
2
を0.841倍 ると のam – V
2
分布 equinoctial epochs のと の am – V2 分布 と重 り 両者の分布の最小二乗回帰直線 よく一致 ること わ る
2.1.3. 暻 均値に見られる半 周変化
図２ に示 ように 地磁気活動の半 周変化 各 の暻 均値や 5 10 という比較的短期間の暻 均値に いて見た場合に 明瞭 い これ 前述し たように 太陽風速度 変動して 各暻 の 均や分散 一定してい いた あ
る たとえ Russell-McPherron effect によ て Bsに季節変化 あ て の効果
速度の ら の中に埋 れてしまう 2001 の場合 速度 間を通して比較的
小さく れ 大 く変動し たた に 図２ を参照 Russell-McPherron
effect 表れている し し 40 50 という長期間のデヴシの暻 均値を調 る
と 半 周変化 見えてくる これ のくらいの長期間に いての 均をとると
10
速度の 均値や分散の暻による差異 とん く て れら の暻 同 に るた と考えられる この半 周変化のパシヴン 太陽 ら地球を見た視線 方向と地球 極子軸の 角度 磁気余緯度 地球の公転運度に伴 て変化 る こ と と 関 係 し て い る ら し い と い う 考 え 何 十 前 ら 提 出 さ れ て い た (Bartels, 1932) 磁気 極子軸 自転軸に対して傾いているた に生 る磁気余緯度の日変化
地磁気活動の日変化のパシヴンとよく合うこと 指摘された McIntosh, 1959 し し 地磁気活動の半 周変化 磁気余緯度と関係 るの また の半 周変 化の振幅 のようにして決まるの に いて 物理的 理解 た 図２
(a) 1961-2007 の41 間のデヴシを使 て am index の暻 均値を求 れを
プロッダして示した の これ ら れい 変半 周化を見ること る し 長期間の暻 均値に見られるこの半 周変化 主として equinoctial effect によ て生
ており してequinoctial effect に いて 提示した考え 正しい ら の振
幅の変化 sin
2(ψ)の季節変化 ここ ψ 太陽を地球表面 に投影した点の磁気余緯
度 と相関を持 ある の相関を調 て見たの 図２ (b) これ ら 実際に各暻のam indexの 均値 の暻のsin
2(ψ)の 均値と良く相関していること 見 て と れ る こ の こ と 長 期 間 のamの 暻 均 値 に 見 え る 半 周 変 化 の 主 要 因 equinoctial effect あり equinoctial effect による の変動振幅 太陽を地球表面 に
投影した点の磁気余緯度の正弦関数の二乗に比例 ることを示している このことの 物理的含意 先に equinoctial epochs とsolstitial epochs のデヴシの比較によ て明 ら にしたように 地磁気擾乱の生成に寄与 る暼効 太陽風速度 磁気 極子軸に 直角 成分 あるということ ある
実 長期間のデヴシ ら求 られる am index の各暻の 均値の変化を 明 る経 験式 提案されている Svalgaard, 1977;. Svalgaard, 2002 実際 の経験式と am index
を残 と れ sin
2(ψ)の関数に ている ら ある し し の経験式 極
子磁場の空間分布を表 関数を基に am index の半 周変化と相関 る表式を く た の 物理的意味 特に い(Svalgaard, 2002) これに対し 本論文において提案
る equinoctial effect の定量的 表現としての関数sin2(ψ) 地磁気活動の生成に関 与 る暼効 太陽風速度 磁気 極子軸に直交 る成分 あるという明確 物理的 意味を持 ている 次節 この 純 解釈 これま 長い間 見過 さ れて た に いて述 る
2.1.4. 議論
本 論 文 に よ て 提 案 さ れ た equinoctial 効 果 の 原 因 に い て の 明 驚 く 純 ある こん に簡 解釈 これま の多くの研究 見過 されて たの れに 二 理由 考えられる のう の一 とん ての研究 3 時間毎に計測される am index と太陽風パラメヴシとを直接比較し い ある期間に おける れ れの 均値の間の関係を調 ていたこと ある これ 半 周変化 各 のデヴシ 必 し りせ 長期間の 均値 明瞭に見えてくることの
に 宇 空間の同一場所 連続的に観測された太陽風パラメヴシのデヴシ て 容易に得られ たということ あると思われる 均値を使 た解析
equinoctial効果の本質的 意味 わ 地磁気擾乱に暼効 太陽風速度 地球の
極子磁場に直角 成分 あるということを見出し い 本研究 時間毎の個々の デヴシを使うことによ て solstitial epochs の れ れのデヴシのV2にsin2(ψ)を掛けた
と に のと の am – BsV
2
関係 equinoctial epochsのデヴシの am – BsV2 関係とよ く一致 ることを示 こと た これ am index 太陽風速度 の の く 地球の 極子磁場に直角 速度成分の二乗と相関 ることを意味 る この 純
実 見逃された二 目の理由 am – BsV
2
関係 Vのrangeによ て変わること
認識されてい たこと 挙 られる 本研究 V
2
の大 さ 区分けしたデ ヴシを使うことによ て 同 BsV
2
の値に対 る am index の solstitial epochs におけ
12
る 均値 equinoctial epochs における am indexの 均値にsin2(ψ)を掛けた の 与 えられることを示 こと た これ 季節変化における equinoctial effect の寄 与を初 て定量的に評価したことにあたる 同 BsV
2
の値に対して equinoctial epochs における am index の 均値 solstitial epochs における 均値より 大 いこと 指 摘されていた(Cliver, Kamide and Ling, 2000) し し 先行 る研究 いろいろ 速度のデヴシ 混在した のに いて 均値をと ていたた に am index の値の季 節による差異を定量的に評価 ること た
前述したように RM仮 より equinoctial仮 の方に適合 る多くの 実 指摘 されていたに わら 地磁気活動の半 周変化の 明として RM仮 広く受 け入れられた れ RM仮 IMFと地球磁場の間のmagnetic reconnectionと密 接に関係していたた と考えられる Dungey (1961) のモデル 示 ように dayside
のmagnetic reconnectionにおいてIMFの南向 成分 本質的 役割を果た これに対
して equinoctial 仮 merging process との関わり わ ら た 一時
equinoctial 効果 magnetic reconnection く 磁気圏境界 の Kelvin-Helmholtz instabilityと関係しているという考え 出され (Boller and Stolov, 1975) れ 支持さ
れたこと ある 例え Berthelier, 1976; Maezawa and Murayama, 1986 本論文によ て 長い間捜し求 られたequinoctial仮 とdayside magnetic reconnectionとの関係 とうとう明ら に たといえる equinoctial effect これま 研究者 探し求 て
たBs との関係に く magnetic reconnection に関わる う一 のfactor ある 太陽風速度と関係していた RM効果とequinoctial効果の 方と 地球の 極子磁場 と太陽の間の幾何学的 配位 季節的に変化 ることによ て たとえ太陽 ら吹 出 と の太陽風速度や の中の磁場 一定 あ て magnetic reconnection の効率 に寄与 るBsと暼効太陽風速度の二 のfactor れ れ変化 ること わ
magnetic reconnection に いて 二 の問題を提起 る 一 に言及して たこ と am – BsV
2
関係 Vのrangeに依存 る ということ ある う一
magnetic reconnection の起 る場所に関係 る magnetic reconnection に対 る太陽風
の暼効速度 極子磁場の軸に垂直 成分 あるということ merging 生 るの 太陽風 磁気圏に最初に衝突 るところ く しろ磁気赤道に近いところ あることを示唆 る merging こ のように起 るの に いて て多く の議論を呼び 今 ま 完全に 解明されてい い問題 ある Park et al. (2006) 地磁気 極子軸 傾いている場合の dayside reconnection のシミュヤヴションを行い
reconnection 地磁気赤道付近 起 ること のと の merging rate 地磁気 極子
軸 傾いてい いと に比 て小さく ることを示した また merging rate 小さく
ることに いて reconnection 生 るところ 太陽風 磁気圏に沿 て流れる速
度成分を持 た と 明している 極子軸 傾く 軸に直交 る太陽風速度成分 小さく り の分 極子軸方向に流れる速度 大 く るの これ 概念的 に本論文 得た結果と一致 る また 極子軸と太陽風 30度の角を と 直 交 る 場 合 と 比 てmerging rate 0.84 倍 に る と 述 て い る こ の 数 値 equinoctial epochs とsolstitial epochs の地磁気活動の比に 対応 る 本論文
地磁気活動を生起 る暼効太陽風速度 極子軸に直交 る成分 あることを明ら に し た こ れ と Park et al. (2006) の シ ミ ュ ヤ ヴ シ ョ ン 結 果 を 合 わ せ る と dayside
magnetic reconnectionに 極子軸に直交 る太陽風速度成分 暼効に効いていると
考えられる
う一 の問題 わ am – BsV
2
関係のVの rangeに対 る依存性
am index BsV2に比例 る という より基本的 疑問に り れ 太
陽風―磁気圏相互作用を理解 るうえ 重要 問題と考えられる 著者 am – BsV
2
関
係式のVの rangeに対 る依存性 magnetic reconnection の効率 磁気圏に流入
るBsのfluxの く magnetic reconnection 生 るところ の地球磁場の大 さに
関係し 例え Crooker and Siscoe (1986) 議論しているように れ 太陽風
14
磁気圏に侵入 る深さに依存していることを表しているの い と考えている し し この問題 本論文 目的と る調査の範 を超えるの ここ これ以
深く立 入ること せ 今後の課題としたい
2.2. AE index
2.2.1. に
AE index 半球のオヴロランザヴンに位置している観測点 観測される地磁気変
化の水 成分を基に算出される地磁気活動指数 と と極域電離圏に流れるオヴ ロラングェッダ電流の大 さを表 指標として導入された オヴロラ活動の激しいと に 大 指数 計測される 地磁気変化のプラス側の値 ら算出される の AU
index ブイナス側の値 ら算出される の AL index と呼 れ AE index AE –
AL / 2 与えられる 通常 AE index に AL index の寄与 大 いこと あ て
過去の研究結果 AL index と太陽風パラメヴシとの関係の特徴 AE index と太陽 風パラメヴシとの関係の特徴に重 ること 示されている 例え Murayama, 1982; Maezawa and Murayama, 1986
本節 AE index と太陽風パラメヴシとの関係 特に equinoctial effect AE index
に 見られる う に いて考察 る の際 手 りと るの am index と
比較しての類似性と差異 ある これま この視点 ら詳しく研究されること たの 本調査によ て新しく発見された結果 いく ある お 本論文 毎3時間のデヴシ ある am index との比較を基に解析を進 たた AE index と して地磁気世界資料解析センシヴ ら公開されている時間値デヴシを 3 時間 均した
のを用いた
AE index と太陽風パラメヴシの関係に いて これま の多くの研究によ て
AE index BsとV2の積に と よく相関 ること 知られている この関係 am
index と同 ある また AE – BsV2 関係 Vのrangeに依存して の比例係数 変
わるという点 am index と共通している これらの特徴を 前節に ら て 2001 と2003 のデヴシを使 て例示しておく
図２ 2001 と2003 のデヴシに いて BsV
2
に対 る AE index の分布 を比 て見た の ある Bz 負の場合 わ GSM 標系 IMF 南向 の場 合のデヴシを用いている 図２ と同様に Bzの絶対値をと てプロッダしてい
16
る 先に述 たように 2003 太陽風速度 特別に大 た これに対して 2001 相対的に速度 小さ た にあたる い れの に いて AE index BsV2 に比例して大 く る様子 見える 同 BsV2の値に対して AE index の 均
値及び分散と に 2003 の方 2001 より 明ら に大 い これ am index 見られた特徴と同 ある また BsV
2
の値 200000 – 300000 nT km2/sec2の間のデヴ シに いて AE index とBs AE index とV2の関係を見た図２ ８ ら AE – BsV2 関 係において速度とBsの寄与 同等 く 速度 大 い また Bs 小さい
AE index 大 く るという特徴 見られること わ る この性質 am index
と共通している
し し AE index am index と大 く違 ている点 ある れ AE indexの場
合 solstitial epochs の夏と冬と 太陽風パラメヴシとの関係に明瞭 差異 見られ
ること ある このた AE index 周変化 顕著に見られ 半 周変化 の
中に埋 れてしま ている 従 て AE index に いて am indexに対 るのと同
様 意味 の equinoctial effect 作用している う を明ら に るに 速度の
range 同 デヴシを用いて比較 るということに加えて 夏と冬 の太陽風パラメヴ
シとの関係の違いを補正し 半 周変化成分を り出してやる必要 ある 本節 この目的のた に AE index と am index の相関関係を利用 る 次節 ま 春 夏 秋 冬 れ れの季節における AE index とam index の相関関係を比較 る
2.2.2. am indexとの相関
図２ 春 秋 夏 冬 れ れに いて AE index と am index の間の相
関を見た の ある の季節に いて 正の相関関係を見ること る お ここ 春 秋 夏 冬のデヴシ 春分 夏 秋分 冬 を さん れ れ前
am index 70くらい ら また れに対応して AE index 700くらい ら大
ところ 数 急減していること 目に付く 夏の場合 この数の減少 AE index 見ると冬と同 700付近 ら 相関関係の勾配 大 いた に am index 60くらい ら生 ている 春 秋の場合に am index 70くらい ら同様 減少傾
向 認 られる し し 冬や夏に比 ると減り方 顕著 い この違い 磁 気嵐 春と秋に多く夏と冬に少 いという半 周変化に対応していると考えられる
また AE index 700くらい ら大 ところ 数 急減 るとと に のあたり
700-800 付近 頭打 の傾向 見え れより大 ところと小さ ところ
am index との間の相関関係 変化している 図２ 分布に折れ曲 り 見える
お 秋のデヴシ 特に目立 均的 相関関係 ら れて am index 大
くて AE index 100前後の小さ 値をとる場合 存在 る 一方 AE index 大
いのに れに対応 る am index 小さいという 例 いこと い 逆の場
合に比 るとまれ ある
相関関係の勾配の季節による差異 図２ あまり りし い 例
え 同 am index の値に対 る夏と冬の AE index の値を比 て ると 夏の方
大 あること 見てとれる この違い 両index間の線形関係 良く成り立 て
いる am index 60以 のデヴシを用いて最小二乗回帰直線を求 た図２ ２０
より明瞭に見ること る 図２ ２ これらの各季節に いての最小二乗回 帰直線を重 て描いた の これ ら 同 am index に対して AE index 夏に と 大 く 冬に と 小さく る傾向のあること わ る 比例係数 線形 関係の勾配 夏の場合に暼意に大 い 他の季節 とん 変わら い 春と秋 式 表 と一見 最小二乗回帰直線に違い あるように 見える 図
とん 差 認 られ い am index 10以 60以 同 am index に
対 る春と秋の AE index の 均値の違い 0.5%以 ある
同 am index に対 る AE index 冬と比 て 春や秋と比 て 夏の方 大
いということ AE index と太陽風パラメヴシとの関係 夏と冬 更に れらの季
18
節と equinoctial epoch と 異 ていることを示唆 る 次節 の季節による 違いに いて検討 る
2.2.3. AE – BV2 関係の季節による差異
図２ ２２ ２ れ れ春と秋 夏と冬のAE – BsV
2
関係を の速度range
に いて比較して た の ある 春と秋 れ れの図に記入した最小二乗回 帰直線 とん 一致 るのに対して 夏と冬 夏の場合の最小二乗回帰直線の 方 にくること 明ら に見てとれる わ 同 BsV
2
の値に対して 夏の方
冬より AE index 大 いという傾向 ある これに対して 図２ ２ ２ に
見るように am – BsV
2
関係 春と秋 け く 夏と冬に いて 最小二乗回帰 直線 よく一致している た し equinoctial effect のた に 夏ン冬の方 春ン秋に 比 て同 BsV
2
の値に対してam 小さい
図２ ２２ ２ う一 注目 特徴 速度のrange 大 いと 最小二乗
回帰直線の勾配 小さく ること ある この性質 春 夏 秋 冬の の季節に いて 共通して認 られ am – BsV
2
関係 見られる 先述したように AE index や
am index と太陽風パラメヴシとの関係を調 た過去の多くの研究 これらの indices
BsV2と と 良く相関 るという結果を報告している た し て AE AU
index と太陽風パラメヴシとの関係に いて AE ＝ aV
2+bBsV2 a b 定数 の表式
提案されたこと ある 例え Maezawa and Murayama 1986) こうした表式
AE index V2のrangeに依存 るという性質を ある意味 り入れた のに てい
る し し am index や AE index のV2のrangeに対 る依存性 BsV2に比例 る項 に加えて れと 別の関数形の項 入 てくるというより 速度rangeによ て am – BsV2 相関関係の係数 変わるということに重要 意味合い あると考えられるの
速度のrange 大 く るに従 て AE – BsV
2
関係の傾 小さく ること AE
index V2の大 ところ 飽和してくることを示している れ am index 大
いところ AE – am 相関関係 変化して の比例係数 小さく ることやAEに頭打
の傾向 見られること 図２ の 明のところ 既述 と対応していると考え られる これ また Polar Cap Potential magnetic reconnectionの merging rate の
大 ところ 頭打 に てくる Reiff et al., 1981; Nagatsuma, 2002 ことと 関係
していると推定される これらの関連性に いての解明 将来の研究課題としたい
図２ ２ 二 の速度rangeに いて 春と秋 夏と冬の AE – BsV
2
関係を れ れ重 てプロッダした の ある これ ら 春と秋 AE – BsV
2
関係 よく一致 しているのに比 て 同 BsV
2
の値に対して夏 冬に比 て AE index 大 く る傾 向のあること 明ら に見てとれる 一方 am – BsV
2
関係に いて 図２ ２ に 示 ように 春と秋 け く 夏と冬に いて れ れの最小二乗回帰直線
重 る
AE index と am index の相関関係の比例係数 図２ ２ 示したように夏と冬
異 ていることと AE – BsV
2
関係に夏と冬 違い 見られる 夏の方 冬より にくる ことと 関連している ある ら am – BsV
2
関係に 夏と冬
違い 見られ いのに 図２ ２ 同 am index に対して冬より 夏の AE index
の方 大 いこと 同 BsV
2
に対して冬より 夏の AE indexの方 大 いことを示 していると考えられる ら ある れ AE indexに いての 太陽風パ ラメヴシとの関係に夏と冬 違い 見られるの ろう AE index に半 周変化 見 られ しろ夏に最大と る 周変化 卓越していること 早くにBerthelier (1976) によ て指摘されている 彼女 の理由として 半球高緯度 と太陽に照ら されたままに る夏に オヴロラ帯の電気伝導度 大 く る ら あろうと推定 している 太陽風と磁気圏との相互作用によ て同 大 さの起電力 電離層に作用 した場合に 電気伝導度の大 い夏の方 冬より 大 電流 流れて のた に 大 磁場変動 観測されるということ 十分に考えられること ある い れにし
20
て 夏と冬 の日射の変化 原因と推定される大 周変化によ て半 周変化 覆い隠されてしま ているの 半 周変化 存在 る う を調 るに 日 射の影響を り除いてやる必要 ある 次節 AE – am 関係を用いること AE
index に対 る日射の影響の除去を試 る
2.2.4. AE indexの半 周変化とequinoctial effect
AE – BsV2 関係に見られる 周変化を AE – am 関係に見られる季節変化を用いて補
正 るという試 し 日射の影響 けれ AE – am 関係 季節によ て わ ら い という考えに基 く これ 必 し 自明 こと い ら AE – BsV2 関係と am – BsV2 関係 と に定数項を含 の BsV2 = 0 あ て AE amと に 0 い equinoctial effectの た に 磁 気 擾 乱 の 生 成 に 寄 与 るV
2
solstitial epochs に 0.841倍した大 さの効果し 持た いとしたと に equinoctial epochs と solstitial epochs における AE/amの比 一致 るという保証 い ら あ
る 例え いま equinoctial epochs において AE = BsV2+ am = a BsV2 + b とお くと solstitial epochs これらの関係 AE = 0.841 BsV2 + am = 0.841aBsV2 + b と る このと に AE/am equinoctial epochsと solstitial epochs 一致 ること 自明 い し し この場合にAE/am equinoctial epochs と solstitial epochs 変
わら い条件 唯一存在 る れ / a = / b と ると ある このと
BsV2の 任 意 の 値 に 対 し てAE/am = / a = / b と る 実 際 の デ ヴ シ 見 る と equinoctial epochs において = 0.00046 (km2/sec2)-1 a = 0.000038 (km2/sec2)-1 = 81 nT
b =7.5 nT ある これ ら / a ~ 12 / b ~ 11と て 厳密に 記の条件 満たさ
れているわけ い AE vs BsV
2
及び am vs BsV2 の分布の散ら り ら考えれ 条件 成立していると見て良いと思われる 以 の結果 の仮定 正し た
