宇宙と地球のつながり過去、現在、未来

(1)

極限的な宇宙環境による

地球環境変動の可能性

片岡龍峰

国立極地研究所

(2)

NHK「宇宙の渚」

Phantom + Hamamatsu II + 24mmF1.4 lens + RG665 filter

Oct-Nov 2011 Poker Flat Research Range 「最速」への挑戦。_{→最速オーロラの発見（Kataoka+2012）}

(3)

オーロラの

10倍スローモーション映像

(4)

(5)

O

オーロラの全天周立体視映像

(6)

aurora3d.jp

地磁気は生命に必要か？

いつも、もやもや考えていること。

(7)

宇宙と地球の過去、現在、未来

A) マウンダー極小期

• 長期的に黒点が出ない時代に突入？

B) キャリントン磁気嵐

• 最大級のフレアの影響は？

C) 星雲衝突

• 最悪の宇宙環境と地球へのインパクトは？

(8)

マウンダー極小期

• マウンダー極小期（

1645-1715）

• ダルトン極小期（

1790-1820）

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Sunspot_Numbers.png

(9)

マウンダー極小期に入る兆候？

極磁場の反転時期がゆっくりしている。

(10)

諏訪湖の御神渡り

特に江戸時代からは御神渡りのできる方向と農作物の作柄の関係が記録の中で重視され、そのデータは現在の御神渡り神事でも行なわれている「年占い」に反映されている。調べてみると面白いかもしれない500年の記録がある。 http://www.city.suwa.lg.jp/web/scm/dat/special/omiwatari/

(11)

Marsh&Svensmark, 2000

7年後

(12)

Kataoka 2010 黒点数

太陽風の磁場強度

宇宙線量

(13)

宇宙線と低層雲量（

1984-2009）

2003 2006

2000 2009

宇宙線増える

(14)

観測史上最強のキャリントン嵐

• 1859年9月2日午前9時30分、ボ

ストンのステート通り

31番地に

あった電信局の交換台で過電流

が生じた。交換手らは、機器に

接続されていたバッテリーを外し

て（！）営業を続けた。

• 1859年は、日本では江戸時代末

期の安政

6年

• G. B. Prescott, Am. J. Sci. Arts, 29,

92, 1860

ラピュタで出てきたモールス信号のあれだと思う。たぶん。

1859/9/1にキャリントンがスケッチした黒点

(15)

キャリントン磁気嵐

• 電信局では火災が起こり、通信網は大規模な障害に

見舞われ、磁気観測所ではメーターの針が振り切れ

た。

• 米国学術研究会議（

NRC）が2008年に出した報告書に

よると、

キャリントン磁気嵐が生じた場合に米国が被る

被害総額は、最初の年だけで

1～2兆ドル

に上り、完全

復興までには推定で

4～10年かかる可能性がある。

• http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=12507

• 噂の

AD775は年複数キャリントン程度

• Usoskin+2013A&A

• 今後

10年間での発生確率は4-6%

(16)

ツングースカ大爆発（

1908）

23区まるごと、なぎ倒される程度の威力

(17)

過去

50年最大の磁気嵐

• 磁気嵐では、世界中で地磁気が乱れる。

http://www.kakioka-jma.go.jp/knowledge/qanda.html 前2日間の変化急始！主相＝地磁気が弱まる回復相＝地磁気が元に戻る主相では、何度も何度もオーロラ爆発が発生する。

(18)

この大磁気嵐で大停電

• 1989年3月13日、大規模な磁気嵐が発生し、

カナダのハイドロ・ケベック

(Hydro-Quebec)社

の電力システムに障害が起こり、約

600万人

が停電の被害にあった。

http://www.nasa.gov/topics/earth/features/sun_darkness.html 焼き切れた変圧器（ニュージャージー州）

(19)

なぜ誘導電流が流れる？

GIC = Geomagnetically Induced Currents

t

∂

= −∇ ×

∂

B

E

磁場の時間変化が作る地表の電位分布グランドから変圧器に異常電流が流れ込む

(20)

(21)

イルカ、クジラ、ハト、ヒト？

• イルカやクジラなどの大脳には磁気センサーが

発見されている

– 集団座礁は磁気嵐のときに多いというケンブリッジ大

の研究結果があるらしい。

• 宇宙を感じていたハト

– ハト国際伝書鳩レースの開催日にたまたま磁気嵐が

発生し、レースに参加した

5000羽のうち、無事ゴール

にたどりつけたのは

5%ということがあった。

• あと私も

MRIに入ったときに磁場を感じました。

– この

MRIは3テスラ。地磁気は3x10

-5

テスラ。

イルカとかの参照：「オーロラの科学：人はなぜオーロラにひかれるのか」上出洋介著

(22)

ウシ？

• グーグルアースで世界の牧草地

308か所、牛

8510頭を調べた結果、大半が北か南を向い

ており、その方位を平均すると、正確な南北

よりも多少ずれている地磁気の南北に近かっ

た。

Magnetic Cow http://www.pnas.org/content/early/2008/08/22/0803650105.abstract http://www.nature.com/news/2008/080825/full/news.2008.1059.html

(23)

コロナ質量放出と太陽放射線

宇宙天気予報という研究分野がある。地球へのインパクトを予測するにはどうしたらよいか。

(24)

太陽プロトン現象

Solar Proton Events

225 SPEs (after 1976) 70 GLEs (after 1942) 23 22 21 20 19 18 平均すると、地上にも影響があるGLEは1年1回、宇宙で影響があるSPEは1年6回ペースで発生オゾン層も破壊する。

(25)

放射線帯 = ヴァンアレン帯

MeV電子（赤いところ） 10-100keV陽子が溜まると、「磁気嵐」という状態になる。（Ring Currentというところ）放射線帯の種=100keV電子が降るのがdiffuse aurora（オーロラのエネルギー消費率の7割以上）

(26)

なぜ陽子や電子が双曲子

磁場に閉じ込められる？

１．サイクロトロン運動（磁場に巻き付く）２．ミラー運動（磁場に沿って跳ね返る）３．ドリフト運動（磁場と垂直にずれていく）３．ドリフト運動２．ミラー運動途中で粒子の軌道が曲げられると大気に落ちることある

(27)

南大西洋異常帯

South Atlantic Anomaly

• ブラジル上空は地

磁気が弱いため、

宇宙からの放射線

粒子が降り注ぎや

すくなっている。

http://ja.wikipedia.org/wiki/南大西洋異常帯 http://en.wikipedia.org/wiki/South_Atlantic_Anomaly

(28)

B) 太陽高エネルギー粒子（MeV陽子） A) 放射線帯（MeV電子）

放射線嵐の実際の観測データ

C) GLE: Ground Level Enhancement（GeV陽子）航空機乗務員の被ばく宇宙飛行士の被ばく人工衛星障害 D) Forbush Decrease（GeV陽子) 銀河宇宙線が一時的に減少 http://www.ngdc.noaa.gov/stp/satellite/goes/dataaccess.html

(29)

オーロラ電子（keV）は電離圏でストップ

ヴァンアレン帯電子(MeV)は中間圏でストップ

太陽放射線（MeV）は中間圏でストップ銀河宇宙線（GeV）は対流圏でストップ大気の電離源

(30)

オゾン破壊

(31)

Background of This Work

Translated by volunteer students of Keio University from material created by the MEXT, Japan

Radiation Exposure Level in Daily Life

a few mSv / flight during large solar flare

(worst case)

(32)

宇宙放射線被害

・天気予報（気象衛星）・カーナビ（GPS衛星）・BS放送（放送衛星）一日で回復一時間で回復

(33)

Razanov+2012 _{気候への固い影響}

NOx

(34)

太陽高エネルギー粒子によるオ

ゾン層破壊（地磁気ゼロを仮定）

Sinnhuber et al. 2003

3発でも年単位でオゾン層を破壊できる。極域に影響が出やすいのは風系による。

(35)

Simpsonの絶滅指数と

McElhinnyの地磁気反転指数

放散虫の絶滅と地磁気反転 (Hays 1971) Crain 1971

(36)

「プルームの冬」仮説

(37)

MB境界で寒冷化？

(38)

「星雲の冬」仮説

超新星や暗黒星雲に太陽系が突入し、大量の宇宙線や宇宙塵によって地球環境が激しく変化する可能性がある。

Kataoka et al. (2013 Gondwana Research) Kataoka et al. (2013 New Astronomy)

(39)

地磁気バリア

宇宙線の多くは陽子。電荷を持っている粒子は、磁気バリアの影響を受けてカットされる。ローレンツ力 F = q V x B 電荷粒子の速度磁場今日の疑問：この地磁気バリアは、我々にとって本当に必要なのか？

(40)

バリアの形状を決める圧力バランス

• ガス圧の参考値

– 空気

10

5

Pa

– 成層圏

10

2

Pa

– オーロラ

10

-4

Pa

– 実験室の真空

10

-6

Pa

– 静止軌道の磁気圧

10

-8

Pa

– 地球での太陽風

10

-9

Pa

– 星間風

10

-13

Pa

バランスするところで「磁気圏」バランスするところで「太陽圏」高さとともに指数関数的に薄まる「大気」

(41)

太陽圏が小さくなると、低エネルギーの宇宙線が桁違いに入ってくる。

Kataoka+2013

(42)

← 地磁気が弱くなるとオゾンホールが広がる

宇宙線が増えるとオゾンホールが深まる ↓

(43)

3つの槍と3つの盾

• 3つの槍

• 宇宙線（銀河

+太陽）

• 宇宙塵

• 紫外線

• 3つの盾

• 太陽圏

• 地磁気

• 大気（オゾン層）

Kataoka+2013

(44)

暗黒星雲と超新星残骸

暗黒星雲

:

1-100 pc 10-100 K 100-1000 /cc 20 km/s 1% of mass is dust

Time scale is million years

(a number of magnetic excursions occur)

超新星残骸

:

10-100 pc 1-10 MK 1-10 /cc 1000 km/s

10 % of pressure is cosmic rays Time scale is thousand years

(45)

10pc超新星の被ばく率は1万倍

(46)

暗黒星雲通過中、宇宙線（

<GeV）

1000倍のときに、磁軸が45度傾いた

際

(磁場10%)のオゾンホール分布

(47)

400-500 pc view (Frisch 2000)

(48)

30 kpc x 30 kpc x 200 pc Sun at 8.5 kpc

240 km/s relative motion ~200 million year rotation 1 pc = 3d16 m

1 AU = 1.5d11 m 1 pc = 0.2 million AU

(49)

銀河スターバースト

Normal galaxy NGC4565

Starburst galaxy M82 Interaction between galaxies

M81(left) and M82 (right)

今よりずっと活動的だったことがある

スターバースト状態は数百万年継続する。濃い暗黒星雲や近距離超新星と頻繁に衝突する時代がある。

(50)

スターバーストの時間変化

→カンブリア爆発 →全球凍結、大量絶滅

(51)

星形成率は一定ではない。地球史では2,3回のスターバーストが起こっていた。全球凍結の時定数は階層的。スターバースト銀河は億年単位で継続し、その間は、濃い暗黒星雲や近距離超新星との遭遇が頻発する。全球凍結の発生パターンを説明するのに必要な外的要因がスターバーストと考える。 Kataoka+2013

(52)

1000-fold enhancement of sub-GeV particles

Kataoka+2013 暗黒星雲でつぶされた太陽圏で増えていく宇宙線（<GeV）

(53)

宇宙線(<GeV)が1000倍

全球オゾン破壊（地磁気反転時）

百万年単位の全球寒冷化

Time (Million Years)

(54)

Kataoka+2013 超新星から出る宇宙線

(55)

Time (Thousand Years) 2 10 数千年単位の全球寒冷化宇宙線が1000倍極域でのオゾン破壊ゲノムへのダメージ Kataoka+2013

宇宙と地球のつながり 過去、現在、未来