太陽周期のダイナミクスと太陽フレアの物理的メカニズム

太陽周期と磁気活動

太陽は、太陽周期と呼ばれる約 11 年の磁気周期に従って活動が変化する動的星です。 これらのサイクルは、太陽コロナ下層での磁気エネルギーの突然の放出である太陽フレアなどの激しい現象を引き起こします。 これらの出来事は地球近傍の宇宙環境に影響を与え、宇宙気候に影響を与えます。

太陽周期のダイナミクス

太陽周期は太陽の磁気活動の周期的な変化に対応しており、主に黒点の出現と消滅によって現れます。 この約 11 年の周期は、太陽磁場の完全な反転、つまり 22 年の完全な磁気周期に相当します。

このダイナミクスは次のように説明されます。ダイナモ理論、磁場を生成および維持するために、太陽プラズマの乱流対流と差動回転を結合する物理的機構。 この世代をアルファオメガモデルで説明します。

• オメガ効果: 差動回転により極磁力線がトロイダル磁場に引き伸ばされます。
• アルファ効果: 対流乱流と螺旋運動が磁場の向きを変え、極成分を再生します。

導電性流体内の磁場の展開を支配する基本方程式 \(\mathbf{B}\) は、MHD (磁気流体力学) の磁気誘導方程式です。 $$ \frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t} = \nabla \times (\mathbf{v} \times \mathbf{B}) + \eta \nabla^2 \mathbf{B} $$ ここで、 \(\mathbf{v}\) はプラズマ速度、 \(\eta\) は磁気拡散率です。

太陽フレアの物理的メカニズム

太陽フレアは、太陽コロナに蓄えられた磁気エネルギーの急速な放出を引き起こす磁気不安定によって発生します。この蓄積は、黒点上の磁力線の編組と剪断によって起こり、その結果、非潜在的な磁気配置が生じます。

重要な物理的プロセスは次のとおりです。磁気再接続、磁気エネルギーを運動エネルギー、熱エネルギー、放射エネルギーに変換する磁力線の急速なトポロジカルな再構成。

再接続は、古典的な Sweet-Parker モデルまたは Petschek モデルによって記述でき、より高速で観測との互換性が高くなります。 再接続の基本方程式は、局所実効抵抗率が増加した誘導方程式に関連しています: \( E = \eta J \) ここで、\(E\) は誘導電場、\(J\) は再接続領域に局在する強い電流密度です。

エネルギーの放出は数分間で最大 \(10^{25}\) ジュールに達し、ラジオから X 線、ガンマ線に至るまで、電磁スペクトル全体にわたって放射が発生します。

したがって、強力な太陽フレアは、局所的に集中して、1秒間に太陽の総出力の40分の1に達する可能性があります。それはほぼ30億kWhです。 比較のために、世界の年間電力消費量は約 2.3×10 です。¹⁴キロワット時。したがって、 \(10^{25}\) J はこの消費量の 10,000 倍以上を表します。

表: 太陽フレアの物理的特徴

出典: Emslie et al. (2012)、フレッチャーら。 (2007)、アシュワンデン (2004)、Gopalswamy et al。 (2009)、NOAA SWPC。

太陽フレアの影響

これらの現象は太陽風に影響を与え、地球の磁気圏を破壊して磁気嵐を引き起こし、衛星、送電網、通信に影響を与える可能性があります。