ニューラルネットワークによる太陽風物理量を用いた地磁気擾乱指数の予測

ニ ュー ラル ネ ッ トワー ク に よ る太 陽 風 物 理 量 を用 い た

地 磁 気 擾 乱 指 数 の 予 測

北 島 良 三*1,野 和 田 基 晴*2,上 村 龍 太 郎*3 PredictionforGeomagneticDistUrbanceswiththeSolarWindParameters BasedonNeuralComputationalTechnique

RyozoKitajima*1,MotoharuNowada*2,RyotaroKamimura*3

ABSTRACT:Wetrytodeterminewhatsolarwindparameterhasanimpactonthegeomagneticdisturbance

basedonneuralcomputationalmethod"potentiallearning(PL)".Inourpreviousstudy,usingthePLmethod,

theclockangle,whichistheanglebetweenthedawn-dusk(By)andnorth-south(Bz)componentsof

solarwindmagneticfield,wasextractedasthemostsignificantparametertodisturbthegeomagneticfield.

However,thatresultincludedalittleuncertaintyduetoredundancyofparameters.Therefbre,wescrutinize

thesolarwindparameterstoevaluatewiththePLmethod,andretrytoextracttheparameterstoprovidean

impactongeomagneticdisturbances.Wecouldfindthattheclockangle,solarwinddynamicpressureand

numberdensityimpingedonmagnetosphericdisturbances.Theseparametersareimportantinconsidering

geomagneticdisturbances.OurresultsuggeststhatthepotentialleamingmethodisveryusefUltooltostudy

thesolarwind-drivengeomagneticdisturbances.

Keywordsgeomagneticdisturbances,solarwind,spaceweather,potentiallearning,neuralnetworks. (ReceivedOctober31,2017) 1.は じ め に 本研 究はニ ュー ラルネ ッ トワー クを用 いて地磁 気擾乱指数の 予測を試 みた ものであ る。地 球 に は常 に太 陽 か ら 「太 陽 風 」 と称 され る高 エ ネ ル ギ ー プ ラズ マ 流 が 吹 き付 けて い る。 太 陽 風 は 太 陽 表 面 で 起 こ る爆 発 現 象 で あ る 「太 陽 フ レア 」 に 伴 っ て発 生 す る こ とが あ るが 、 この 場 合 、 人 工 衛 星 の 搭 載機 器 に影 響 を 与 え るだ けで は な く、 地 上 電 力 網 とい っ た イ ンフ ラ設備 に も甚 大 な 影 響 を与 えて しま う脅 威 を 有 して い る。 しか し、 太 陽 風 に よっ て 常 に設 備 損 傷 の 危 機 に 曝 され て い る訳 で は な い 。 これ は 地 球 を取 り巻 く磁 気 圏 が 太 陽 風 エ ネ ル ギ ー の 流 入 を阻 止 して い るか らで あ *1:情 報 科 学 科 助 教(r・kitajima@st_{.seikei.ac.jp)} *2:山 東 大 学 威 海 校 空 間 科 学 研 究 院 空 間 天 気 物 理 与 探 測 研 究 中 心 *3:東 海 大 学 情 報 教 育 セ ン タ ー る。 地 球 を磁 石 に 見 立 て た場 合 、北極 側 にS極 、南極 側 にN 極 が存 在 して い る と言 え るが 、 これ に よ り北 向 きの磁 場 が地 球 を 取 り囲 む こ とに な る。 この磁 場 の 範 囲 は 太 陽 風 が 吹 き付 け て く る昼 側 で 地 球 半径 の約10倍 、 夜側 に 至 っ て は1000倍 近 く にま で 達 して お り、広 大 な 範 囲 で 太 陽 風 の脅 威 か ら地 球 を保 護 して い る。 しか し、 太 陽 風 エ ネ ル ギ ー の100%を 流 入 阻 止 す る こ と は不 可 能 で あ り、 太 陽風 が磁 気 圏 内 に流 入 す る過 程 あ るい は そ の 結 果 と して 地 球 磁 場 が乱 され る(磁 気 擾 乱)。極 地 方 で オ ー ロ ラが 広 が る の が観 測 され るの は この た め で あ る。 記録 に よ る と 1770年 に は 京都 で オ ー ロ ラが観 測 され た とい うが 、近 年 の研 究 で これ は 史 上最 大規 模 の 太 陽 フ レア の影 響 で あ っ た こ とが報 告 され て い る[1]。 太 陽風 に よ り引 き起 こ され る磁 気 擾 乱(「磁 気 嵐 」と呼 ばれ る現 象)で あ るが 、 大 規模 な もの で な けれ ば 地 上 設 備 に特 に影 響 は発 生 しな い。 と こ ろが 大 規模 太 陽 フ レア

に よっ て発 生 した 太 陽 風 が 地 球 を直 撃 した 場 合 、 地 球 磁 場 を 大 き く乱 し、 地 上 施 設 に 影 響 が 起 きて しま う。1989 年 に は カ ナ ダ の ケ ベ ッ ク州 で 大 規模 な 停 電 が 生 じた が 、 これ は 磁 気 擾 乱 に よ り引 き起 こ され た も の で あ る[2]。 最 近 で は2017年9月6日 の 大 規 模 太 陽 フ レア が 記 憶 に 新 しい。 この 太 陽 フ レア は 大 規模 で あ り、GPSや 無 線 通 信 に影 響 を 及 ぼ す 可 能性 が 警 戒 され[3]、 実 際GPSの 誤 差 が 増 大 して い た こ とが 国 土 地 理 院 よ り報 告 され て い る [4]Q この よ うに磁 気 擾 乱 は 地 上 の 電 磁 場 環 境 に影 響 を与 え るた め 、 太 陽 フ レア の 規模 か ら擾 乱 の 度 合 い を予 測 す る こ とは 重 要 な研 究 で あ る。 磁 気 擾 乱 に 関 す る研 究 は これ ま で に い くつ も行 わ れ て お り、Balanら は 地 上 磁 場 の 変 動 か ら推 定 した 地磁 気 変 動 デ ー タ と、 人 工 衛 星 で 計 測 さ れ た 太 陽 風磁 場 、 太 陽 風 速 度 、 そ して プ ラズ マ 数 密 度 の デ ー タ を 用 い て 、 どの 程 度 の 太 陽 風 磁 場 お よび プ ラズ マ 変 動 が 、 どの く らい の 規模 の 地 磁 気 擾 乱 を引 き起 こす の か 予 測 して い る[5]。 ま た 近 年 は 機 械 学 習 の 手 法 も取 り 入 れ られ て お り、Shinら は 静 止 軌 道 衛 星 が 常 に 晒 され て い る高 エ ネ ル ギ ー プ ラズ マ粒 子 の 増 減 を、 太 陽 風 デ ー タ と静 止衛 星 が観 測 した 電 子 エ ネ ル ギ ー デ ー タ を基 にニ ュ ー ラル ネ ッ トワー クを 用 い て 予 測 して い る[6]。 ま た 、 宇 宙 空 間 物 理 の 分 野 だ けで は な く地 球 超 高 層 の 電 離 層 物 理 分 野 で もニ ュー ラル ネ ッ トワー ク を用 い た 解 析 が行 わ れ 始 め て い る[7][8]。 この よ うに 知 的 情 報 処 理 手 法 が解 析 に 取 り入 れ られ て きて い るの は 、 デ ー タが 複 雑 で 従 来 の 手 法 で は 対 応 が 困 難 で あ るた め と考 え られ る。 著 者 ら も以 前 の 研 究[9]で 統 計 的 手 法 に よ る予 測 結 果 が ニ ュ ー ラル ネ ッ トワー クに よ る予 測 結 果 と比 較 して 高 くな い こ とを確 認 して い る。 しか し、 一 般 的 にニ ュー ラ ル ネ ッ トワー クは 複 雑 デ ー タの 解 析 が 可 能 で も、 モ デ ル の解 釈 が 困難 で あ る こ とが 知 られ て お り、 予 測 根 拠 の 抽 出 を 要 す る解 析 で の使 用 は 困 難 で あ る。 本 研 究 で は磁 気 擾 乱 度 合 い の 予 測 に加 え、 擾 乱 に影 響 を及 ぼ す 太 陽 風 パ ラメ ー タ を特 定 す る こ と も 目的 と して い る。 そ こで解 析 手 法 に は 、 解 釈 が 可 能 な 「潜 在 学 習 」 と呼 ば れ るニ ュー ラル ネ ッ トワー ク を用 い た 。 著 者 らの 以 前 の研 究[9]に お い て も潜 在 学 習 は採 用 され 、予 測 精 度 、解 釈 結 果 と もに 従 来 手 法 に よ る結 果 よ りも良 い 結 果 を 得 た。 しか し、 この研 究 で 使 用 した デ ー タ には 冗 長 性 が あ り、解 釈 を 詳 細 に 実 施 す る こ とが で きな か っ た 。 そ こで 本研 究 で は解 析 変 数 を 見 直 し解 析 を行 った 。 ま た 、 前 回 結 果 との 差 異 も確 認 し解 釈 結 果 の 安 定 性 も調 査 した 。 2.解 析 デ ー タ と解 析 手 法 2.1解 析 デ ー タ 本 研 究 で 解 析 対 象 と し た デ ー タ は 、 人 工 衛 星 「ACE」 と 「WIND」 に よ っ て 観 測 さ れ た 太 陽 風 磁 場 デ ー タ と プ ラ ズ マ デ ー タ で あ り 、 座 標 系 はGSE座 標 系 で あ る 。 こ の 2つ の デ ー タ を 用 い て 地 球 磁 気 圏 擾 乱 指 数(AL指 数)の 予 測 を 行 う。デ ー タ は 全 て ア メ リカ 航 空 宇 宙 局(National AeronauticsandSpaceAdministration,NASA)Goddard SpaceFlightCenterのWebペ ー ジ[10]よ り入 手 した 。 入 手 し た デ ー タ はSt.PatrickStormと 呼 ば れ る 大 規 模 磁 気 嵐 が 発 生 し た2015年3月17日0時00分(Universal Time,UT(日 本 標 準 時 一9時 間))か ら23時59分 の1分 値 デ ー タ で あ る。 研 究 で は こ の デ ー タ の う ち 、 特 に 磁 場 が 乱 れ た12時30分 か ら23時59分 を解 析 対 象 と し た 。 解 析 対 象 区 間 のAL指 数 を 図1に 、 こ れ を 予 測 す る の に 使 用 し た 太 陽 風 パ ラ メ ー タ を 表1に 示 す 。 以 前 の 研 究 [9]を 実 施 し た 際 は 表1に 「MA(太 陽 風 ア ル フ ベ ン マ ッ ハ 数)」 、 「θC。ne(太 陽 風 コ ー ン 角)」 、 「θCl。ck(太陽 風 ク ロ ッ ク 角)」 の3変 数 を 加 え た 合 計10変 数 を 用 い て い た 。 し か し これ ら は 表1の 変 数 よ り算 出 で き る 項 目 で あ り 、 今 回 そ れ ら を 取 り 除 き 表1記 載 の7変 数 に よ る解 析 を 行 0 一500 ρ= -1000 聖 一1500 妻 一2000 一2500 12:3014:30 16:3018:3020:3022:30 時 間(UT) 2015年3月17日 図1解 析 対 象 区間 のAL指 数 表1使 用 した 太 陽 風 パ ラ メー タ 変数番号 変数名 単位 1 2 3 4 只 ∪ ρ0 7 Bx(磁 場X(太 陽 地 球)成 分) By(磁 場Y(朝 夕)成 分*) Bz(磁 場Z(南 北)成 分) Vx(太 陽 風 速 度) Np(プ ラ ズ マ 数 密 度) Pdyn(太 陽 風 動 圧**) Ey(太 陽 風 電 場***) nT nT nT km/s /cm3 nPa mV/m *近 似 的 に 東 西 成 分 **Pd y。 ニmN,V.2 ***E y=-VxBz

っ た(太 陽 風 動圧 、 太 陽 風 電 場 も算 出 で き る項 目で あ る が 、磁 気擾 乱 を 理解 す る うえで 重 要 な 項 目で あ るた め解 析 に 取 り入 れ て い る)。 2.2解 析 手 法 本研 究 で はAL指 数 の予 測 に加 え 、予 測 に使 用 した 太 陽 風 パ ラメ ー タ の どの 項 目が 予 測 に 影 響 を与 えて い るの か 解 釈 を行 っ て い く。 そ の た め 一 般 的 な ニ ュー ラル ネ ッ ト ワー ク手 法 で は モ デ ル 解 釈 が 困 難[ll]で あ る た め 、 潜 在 学 習(PotentialLearning,PL)と 名 付 け られ た 新 しい ニ ュ ー ラル ネ ッ トワー ク[12]を 解 析 に 用 い る。 潜在 学 習 の概 要 を 図2に 示 す 。潜 在 学 習 には 多 数 の バ リエ ー シ ョ ンが あ るが 、 本研 究 で 使 用 す る潜 在 学 習 は 、 知識 獲 得 段 階(自 己 組 織 化 マ ップ が 基 とな っ て い る)と 予 測 段 階(多 層 パ ー セ プ トロ ンが 基 とな って い る)の 二 段 階 の 学 習 よ り構 築 され て い る。 一 段 階 目の 学 習 は デ ー タ か ら知識 を 獲 得 す る段 階 で あ り、 こ こで 潜 在 性(後 述 す る)を 算 出 し、 予 測 に 向 けた 事 前 学 習 を行 う。 二 段 階 目の 予 測 段 階 は 、 一 段 階 目で 得 た 知 識 を初 期 重 み と して 用 い タ ー ゲ ッ トを 予 測 す る。 初 期 重 み に 一 段 階 目の 知 識 を使 用 す る こ とで 、 デ ー タ に 基 づ い た 学 習 を期 待 して い る。 潜 在性 とは 分 散 を 基 に 算 出 され る値 で あ り、 潜 在 性 の 高 い ニ ュ ー ロ ン とは 学 習 時 に 活 発 に 活 動 す るニ ュー ロ ン と定 義 され て い る。 活 発 に 活 動 す る とは す な わ ち、 重 要 な ニ ュー ロ ンの 意 味 で あ る。 入 力 層 κ番 目の ニ ュ ー ロ ン の 潜在 性 媒 は(γにつ い て は後 述 す る)、た番 目ニ ュー ロ ン の 分 散 娠 を 用 い て

￠

髭一礒

玲γ

に よ り求 め られ る。こ こでパ ラ メ ー タγは 算 出 され る潜 在 性 を 強 調 す る働 き を 持 っ た パ ラメ ー タで あ る。 算 出 さ れ た 潜在 性 は 知識 獲 得 段 階 で 活 用 され るが 、 この 段 階 は 自己組 織 化 マ ップ が 基 とな っ た 学 習 段 階 で あ る。 自 己組 織 化 マ ップ は そ の 学 習 過 程 で 、 入 力 層 の ニ ュー ロ ン と 出 力 層1番 目ニ ューnン と の距 離djを ノ番 目ニ ュ ー ロ ン とk 番 目ニ ュ ー ロ ン間 の 重 み で あ る咳 κを用 い て κ 一 入力層 知識 獲得 段 階 獲 得 知 識 を 設 定 (学習 後 の 重 み ×潜 在 性)

嘉

一

中間層

予測段 階 ん dノ ー Σ(Xk-Wj _,k)2 kニ1 に よ り求 め る過 程 が あ るが 、 潜 在 学 習 で は この 過 程 に潜 在 性 を組 み 込 み dj一 Σ ￠n(Xk-Wj _,k)2 図2潜 在 学 習 概 要 に よ り距 離 を 求 め て い る。 す な わ ち潜 在 性 に よっ て 重 み 付 け て距 離 を算 出す る。 これ に よ り、潜 在 性 が 高 い(重 要 な)ニ ュ ー ロ ンを積 極 的 に 取 り込 み 学 習 をお こな っ て い く。 潜 在 学習 は これ ま で 、 スー パ ー マ ー ケ ッ トのPOSデ ー タ に対 す る適 用[13]、 災 害 発 生 時 のTweetに 対 す る適 用 [14]、 な どで ク ラ ス分 け 問題 に使 用 され 、高 精 度 な 分類 予 測 や モデ ル 解 釈 結 果 の 妥 当性 が確 認 され て きた が 、 以 前 の研 究[9]そ して 本 研 究 で は数 値 予 測 に適 用 し、予 測 精 度 、解 釈 結 果 に つ い て調 査 して い る。 3.結 果 と考 察 3.1AL指 数 の 予 測 本 研 究 で は 潜 在 学 習 を用 い て磁 気 擾 乱 指 数(AL指 数) を 予測 した。 予測 に は 前述 した2015年3.月17日12時

30分 か ら23時59分 のデ ー タ(690サ ンプ ル)を 使 用 し て い るが 、 この デ ー タ よ り異 常値 を 取 り除 い た498サ ン プ ル が 実 際 の 解 析 対 象 とな っ た 。 ま た モ デ ル 作 成 には こ の498サ ンプ ル の85%に あ た る数 が使 用 され(う ち15% は 予 測 段 階 の 早 期 停 止 用 に使 用)、 の こ り15%が モ デ ル 精 度確 認 用 に使 用 され て い る。 さ らに 、 偶 然 良 い サ ンプ ル が モ デ ル 作 成 に使 用 され る こ と を防 ぐ 目的 で 、 各 用 途 の 比 率 は そ の ま ま で 、サ ン プル が ラ ン ダ ム に異 な る10パ タ ー ンの デ ー タ を 作 成 、 そ れ ぞ れ で モ デ ル 作 成 と精 度 確 認 を行 っ た。 後 述 す る予 測 精 度 は この10個 の モ デ ル に よ る精 度 の 平 均 値 で あ る。 ま た 予 測 精 度 の 評 価 には 実 測 値 と予 測値 の 相 関係 数 を 用 い た 。 潜 在 学 習 に よ りAL指 数 を 予 測 した と こ ろ 、 予 測 精 度 0.8433の 精 度 で 予 測 が で き た(前 述 のパ ラ メー タrは1)。 ま た 、 本研 究 で は 比 較 の た め に 潜 在 学 習 に よ る予 測 に加 え 、 回 帰 分析 、 一 般 的 な ニ ュー ラル ネ ッ トワー ク に よ る 予 測 も行 っ た。 そ の 結 果 、 回 帰 分 析 は 予 測 精 度0.5582、 一 般 的 な ニ ュ ー ラル ネ ッ トワー クは 予 測 精 度0_{.8152と い} う結 果 で あ り、 「回 帰 分 析 で はAL指 数 の予 測 は 困難 で あ る」とい う結 果 を 、「一 般 的 な ニ ュー ラル ネ ッ トワー ク よ りも潜在 学 習 の 方 が 高 精 度 で あ る」 とい う結 果 をそ れ ぞ れ 得 た。 これ は 潜 在 性 の 高 い 入 カ ニ ュー ロ ン を重 視 して 学 習 す る知識 獲 得 段 階 と、 予 測 段 階 の 初 期 重 み に獲 得 知 識 を 用 い る こ とが 期 待 通 り作 用 して い る結 果 と考 え られ る。 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 畢 担 捉 ByPdyn閥pBzVxEyBx 変 数 図3潜 在 学 習 に よ る モ デ ル 解 釈 表2重 要 変 数 の 平 均 的 な値 変数 平均値 単位 By Pdyn Np Bz Vx 0.4430 6.5648 12.2990 一16 .2771 一556 _.9299 (nT) (nPa) (/cm3) (nT) (km/s) 3.2モ デ ル 解 釈 3.2.1潜 在 学 習 に よ る 予 測 結 果 の 解 釈 続 い て オ五指 数 の 予 測 に 用 い た 太 陽 風 パ ラ メ ー タ の う ち 、 ど の 項 目 が 予 測 に 影 響 を 与 え て い る の か モ デ ル 解 釈 を 行 っ た 。 図3は 潜 在 性 を 示 し た も の で あ る 。 こ の 図 よ り潜 在 性 の 高 い 変 数 上 位5つ を 見 る と 、 最 も 潜 在 性 の 高 い 変 数 はBy(磁 場Y成 分)で あ る こ と 、 続 い てPdyn(太 陽 風 動 圧)、Np(プ ラ ズ マ 数 密 度)、Bz(磁 場Z成 分)、 そ し てVx(太 陽 風 速 度)で あ る こ と が 分 か る 。 こ れ ら の パ ラ メ ー タ 値 に つ い て モ デ ル 作 成 用 デ ー タ10パ タ ー ン そ れ ぞ れ で 平 均 値 を 求 め 、 さ ら に そ れ ら の 平 均 値 を 求 め た と こ ろ 表2に 示 す 結 果 を 得 た 。 こ れ ら の 値 で あ る が 、By 成 分 の 大 き さ(絶 対 値)はBz成 分 の そ れ に 比 べ て 小 さ く 、 Pdynお よ びNpは 平 均 的 な 太 陽 風 動 圧(1.OnPa∼2.OnPa 程 度)、 平 均 的 な 数 密 度(2.0/cm3∼5.0/cm3)よ り高 い こ と が 分 か る。 ま た 、 平 均 的 な 太 陽 風 速 度 が400krn/sか ら 500kln/sで あ る こ と を 考 慮 す る とVxの 値 は 特 別 速 い 速 度 で は な い こ と を そ れ ぞ れ 得 た 。 モ デ ル 解 釈 はByが 重 要 度1位 と な っ て い る こ と か ら 、 Y(タ 方 方 向 が+) Z(北 方 向 が+)

㎞

一(By可)

◆ 図4ク ロ ッ ク 角(単 位:deg.) 磁 場 デ ー タ か ら行 っ て い く。 太 陽 風 の 磁 場 が ど の 角 度 で 地 球 に 到 達 し て い る の か を 調 べ る た め 、 ク ロ ッ ク 角 (θcl。、k)を 求 め た 。 図4に 示 す よ う に θcl。,kは磁 場 のBz 成 分(南 北 成 分)とBy成 分(朝 夕 成 分)の な す 角 で あ る。 これ は ク ロ ッ ク 角 が0度 で あ る と 、 真 北 を 向 く磁 力 線 を 意 味 し て い る 。表2を 求 め た 際 と 同 様 に ク ロ ッ ク 角 の10 パ タ ー ン 平 均 の 平 均 を 求 め た と こ ろ 、θcl。_{、kは184 .8222度} と い う結 果 で あ っ た 。 これ は す な わ ち 、 ほ ぼ 南 向 き の 磁 力 線 が 地 球 と運 遁 し て い た こ と を 意 味 し て い る。 続 い て プ ラ ズ マ デ ー タ の 解 釈 を 行 う。 太 陽 風 動 圧 は 表 1に 示 す とお り、プ ラ ズ マ 数 密 度(Np)と 太 陽 風 速 度(Vx)、 そ し て 陽 子 の 質 量(m)を 用 い て 算 出 さ れ る 。表2よ り、 今 回 観 測 され た 太 陽 風 は 平 均 的 な 太 陽 風 よ り高 い 数 密 度 と 、 ほ ぼ 平 常 的 な 太 陽 風 速 度 で あ る こ と が 確 認 さ れ て い る 。 し た が っ て 動 圧 が 高 く な っ て い る理 由 は 数 密 度 に あ

る と判 断 され る。 この こ と よ り、 磁 気 擾 乱 には 太 陽 風 速 度 よ りも数 密 度 が影 響 を 及 ぼ して い る こ と を示 唆 して お り、そ れ を 裏 付 け るか の よ うにVxの 重 要 度 は 第5位 に留 ま っ て い る。 最 後 に磁 気 デ ー タ が プ ラズ マ デ ー タ よ りも重 要 で あ る とい う結 果 の解 釈 を 行 う。 今 回 得 られ た 結 果 で あ るが 、 これ は磁 気擾 乱 が磁 気 リコネ ク シ ョン[15][16][17][18] に よ り発 生 して い る こ とを 示 唆 して い る。 太 陽 エ ネ ル ギ ー が 地 球磁 気 圏 に 流 入 す るた め に は 磁 気 バ リア を破 る必 要 が あ るが 、 そ の 主 な機 構 は 「磁 気 リコネ クシ ョン」 で あ る。 磁 気 リコネ クシ ョ ン とは2つ 以 上 の 異 な る磁 場 配位 に あ る磁 力線 が 互 い に 結 び つ く現 象 で あ る。 エ ネ ル ギ ー を 有 して い るプ ラズ マ粒 子 は 通 常 、 磁 力 線 の 周 りを運 動 し て い る。 そ して 通 常 、 太 陽 風 磁 場 と地 球 磁 場 が 接 触 ま た は 近 づ い た と して もプ ラズ マ が お 互 い の 磁 力 線 に移 動 す る こ とは な い 。 した が っ て 太 陽 風 エ ネ ル ギ ー を有 す るプ ラ ズ マ が 地 球磁 気 圏 に侵 入 す る(あ るい は 地 球 磁 気 圏 の プ ラズ マ が 太 陽 風 へ 逃 げ 出 す)こ とは 通 常 で きな い(磁 場 凍 結 の原 理)。しか しひ とた び 磁 気 リコネ クシ ョンが 発 生 す る と この磁 場 凍 結 の 原 理 が破 れ 、 太 陽 風 磁 場 と地 球 磁 場 が 結 び つ き 、 プ ラズ マ が 互 い の 領 域 に磁 力 線 を伝 い 移 動 す る こ とが で き る よ うに な る。 そ の 結 果 、 太 陽 風 エ ネ ル ギ ー の 地 球磁 気 圏 へ の 流 入 が 生 じる。 この 磁 気 リコ ネ ク シ ョンの発 生 に は 互 い の 磁 場 配位 が 異 な る必 要 が あ り、 地 球磁 気 圏 の磁 力 線 が ほ ぼ 北 向 きで あ る こ と を考 え る と、 太 陽 風磁 場 が 南 向 き か そ れ に 近 い 方 向 で あれ ば 磁 気 リコネ ク シ ョンが 生 じや す い 状 況 に な る こ とが 期 待 さ れ る。 今 回解 析 した 大 規模 磁 気 擾 乱 の 発 生 に対 応 す る太 陽 風磁 力線 の 向 き は 強 い 南 向 き(184.8222度)で あ る こ とか ら、磁 気 リコネ クシ ョン を生 じ させ る条 件 を満 た し て い る こ とに な る。 以 上 の解 釈 よ り、磁 場 お よび プ ラズ マ デ ー タか ら擾 乱 予想 を行 っ た 結 果 、 重 要 変 数 と して 磁 場 に関 す る変 数 が 重 要 度1位 で 抽 出 で きた 本 結 果 は 妥 当性 の あ る結 果 と言 え る。 しか し、磁 気 擾 乱 を 生 じ させ る太 陽 風 磁 場 配位 の 第 一 条 件 が 「南 向 き の 磁 力 線 」 で あ る点 を考 え るな らば Bz成 分 がBy成 分 よ りも重 要 とな る の で は ない か と も考 え られ る。 とこ ろ が解 析 結 果 はByの 方 が 重 要 で あ る こ と を 示 して い た。ま た成 分 を詳 細 に追 うこ とに よ りByが 弱 くBzが 強 い とい うこ とが 分 か っ た が 、これ は 潜 在 学 習 が Byが 弱 い こ と を重 要 視 して 学 習 を行 っ て い る と表 現 で き 、興 味 深 い 動 作 で あ る。 こ の こ とはす な わ ち 、Bzは 強 い 南 向 き を 示 して お り磁 気 擾 乱 を もた らす 本 質 的 な 太 陽 風 パ ラメ ー タ で あ る こ とを 表 す 一 方 、By成 分 もま た 地 球 磁 気 圏擾 乱 を もた らす 重 要 な太 陽風 パ ラ メ ー タ の1つ で あ る と解 釈 す る こ とが で き る。 ま た今 回 は重 要 度5位 ま で を解 釈 した た め 、解 釈 対 象 とな らな か っ た が 、太 陽風 電 場 の解 釈 も今 後 の課 題 で あ る。 太 陽風 電 場 は太 陽風 の磁 気 エ ネル ギ ー の 輸 送 率 を示 す もの で あ る。 した が っ て解 析 前 の 予想 と して 重 要 変 数 は 、太 陽風 の 向 き 、太 陽風 電場 、 プ ラズ マ 、 の順 とな る こ とが予 想 され た が 、解 析 に よ り、 太 陽 風 の 向 き、 プ ラ ズ マ 、太 陽風 電場 、 の順 とい う結 果 を得 た。 磁 気 エ ネ ル ギ ー の輸 送 率 は ダ イ ポ ール 双極 子 軸 の傾 きに よ る依 存性 を考 慮 す る必 要 が あ る と考 え られ 、 太 陽 風 電 場 の解 釈 は 今 後 の課 題 で あ る。 3.2.2回 帰 分 析 に よ る予 測 の 解 釈 最 後 に潜 在 学 習 との 比較 で 実施 した 回 帰 分析 に よ る擾 乱 予 測 の解 釈 を行 う。 図5は10個 の 回 帰 モ デ ル の偏 回 帰 係 数 の 平均 を示 した もの で あ る。これ に よ る と最 も!猛 指 数 に影 響 を及 ぼ して い る変 数 はPdyn(太 陽 風 動 圧)続 い てNp(プ ラ ズマ 数 密 度)で あ る こ とが 分 か る。Vx(太 陽風 速 度)やEy(太 陽風 電 場)な どは 小 さい係 数 とな っ て い る こ とか ら、今 回PdynとNpを 解 釈 の対 象 と した。 PdynとNp、 す な わ ち太 陽 風 プ ラズ マ デ ー タ が磁 場 デ ー タ と比 べ る と大 き な係 数 を持 っ て い る こ とは_{、 プ ラズ} マデ ー タ の方 が重 要 で あ る こ とを示 して い る。た しか に 、 太 陽風 の動 圧 が 大 き い場 合 、 あ るい は プ ラズ マ数 密 度 が 大 き い場 合(結 果 と して動 圧 が増 大 す る場 合)で も磁 気 圏擾 舌Lが起 こ りえ る。しか し解 析 対 象 のSt.PatrickSto㎜ で観 測 され た よ うな 大規 模 な磁 気 圏 の擾 乱 を引 き起 こ し た もの は 、太 陽風 磁 場 と地 球磁 気 圏磁 場 の磁 場 が ほ ぼ真 反 対 な磁 場 配 位 か ら考 え て 、 昼側 磁 気 圏 境 界 域 で発 生 し た磁 気 リ コネ ク シ ョ ンが優 勢 で あ る と考 え られ る。 した が っ て 、磁 場 成 分 よ り もプ ラズ マ デ ー タが 重 要 で あ る と い う解 釈 結 果 は物 理 的 に 妥 当性 が な い と言 え る結 果 で あ っ た。 15 10 癒5 哩0 回 贋 一5 -10 -15 PdynNpVxEyBzByBx 変 数 図5回 帰 分 析 に よ る モ デ ル解 釈

4.ま と め 本研 究 で は 、 太 陽 風 磁 場 とプ ラズ マ デ ー タか ら成 るデ ー タ を 入 力 と し_{、磁 気 擾 乱 の指 数 で あ る!猛指 数 を出 力 す} るモ デ ル の 作 成 を 潜 在 学 習 に よ り試 み た 。 潜 在 学 習 に よ る磁 気擾 乱 指 数 の 予 測 精 度 は 実 測 値 と予 測 値 の 相 関 係 数 で 評価 し、0,8433の 精 度 で あ った 。 ま た モ デ ル 解 釈 の 結 果 、擾 乱 に は 太 陽 風 磁 場 の 向 き、 プ ラズ マ 動 圧 、 プ ラズ マ 数密 度 が 特 に影 響 して い る とい う結 果 を得 た 。 この 結 果 は 物 理 的 に 妥 当性 の あ る結 果 で あ り、 太 陽 風 に よ る磁 気擾 乱 とい う複雑 な デ ー タの 解 析 に 潜 在 学 習 が 適 用 で き る こ とを確 認 した。 しか し解 析 に使 用 した 太 陽 風 パ ラ メー タの うち、 太 陽 風 電 場 の解 釈 に つ い て 課題 が 残 り、 継 続 した 研 究 が 必 要 で あ る。 引 き 続 き研 究 を 行 うと と もに 、 ま た 、 得 られ た 解 釈 結 果 が2015年 の 大 規模 擾 乱 イ ベ ン ト以 外 で も得 ら れ るの か 調 査 し、磁 気 擾 乱 の 理解 を 深 め て い く。

参考文献

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