エンリル（太陽圏モデル）
エンリル
開発者ドゥシャン・オドストチル
初回リリース1999 （1999年）
安定版リリース
2.9e (WSA-Enlil v3.0 の一部として) / 2023 年 4 月 6 日 ( 2023-04-06 )
タイプ宇宙天気モデリング、MHDシミュレーション
Webサイトwww .swpc .noaa .gov /products /wsa-enlil-solar-wind-prediction

エンリルは、内部太陽圏の時間依存型3次元磁気流体モデルであり、背景太陽風とコロナ質量放出（CME）の惑星間伝播をシミュレートします。これは、米国海洋大気庁（NOAA）宇宙天気予報センター、NASAコミュニティ協調モデリングセンター、およびその他の国立予報センターにおける宇宙天気予報と研究に使用されている運用WSA-エンリルモデリングシステムの中核コンポーネントです。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

NOAAは、このシステムは太陽風構造と、地磁気嵐を引き起こす可能性のある地球に向けられたCMEについて「1～4日前の警告」を提供すると述べています。[ 1 ]このコードは、シュメールの風と嵐の神であるエンリルにちなんで名付けられており、このモデルが太陽風の力学に重点を置いていることを反映しています。[ 4 ] [ 5 ]

歴史

白色光コロナグラフで観測されたコロナ質量放出。明るい外殻が暗い空洞と高密度の内核を囲み、特徴的な3つの部分からなる構造を形成している。

エンリルは、1990年代後半にチェコ系アメリカ人の宇宙物理学者ドゥサン・オドストシルが行った太陽風とCMEの3次元シミュレーション研究から生まれました。Foundational Journal of Geophysical Research誌に掲載された論文では、構造化された太陽風におけるCMEの伝播をモデル化しており、ストリーマーベルト内で発生したイベントとストリーマーベルトに隣接して発生したイベントの2つのケースが提示されました。[ 6 ] [ 7 ] 2003年のレビューでは、3次元太陽風構造と過渡的擾乱をモデル化する数値的アプローチが提示され、後に運用コードに反映されました。[ 8 ]

現在WSA-エンリルとして知られている結合予測システムは、アメリカの宇宙天気研究者チャールズ・N・アージとオドストシルが2000年代初頭に半経験的なワン・シーリー・アージ（WSA）コロナモデルをエンリルの太陽圏領域に結合し始めたときに開発されました。 [ 9 ] [ 10 ]並行した研究では、球面磁気流体力学（MAS）モデルからのコロナMHD出力をエンリルに結合して太陽から地球へのイベントシミュレーションを行うことが実証され、アメリカの宇宙物理学者ジャネット・G・ルーマンはこれを「太陽から地球への宇宙天気」と表現しました。[ 11 ] [ 12 ]

NOAAは2011年にWSA-Enlilの定常運用を開始し、モデル出力のアーカイブと配布を続けています。[ 13 ] 2023年4月、NOAAはWSA-5.4とEnlil-2.9eを統合し、磁力図処理を更新したWSA-Enlil v3.0を導入し、周囲風の忠実度とCME到着予測の改善を目指しました。[ 14 ]

モデル

太陽のプラズマは磁気流体力学システムとしてモデル化できる

エンリルは、球面グリッド上の磁束補正輸送スキームを使用して、プラズマの質量、運動量、エネルギー密度、および惑星間磁場に関する理想的なMHD方程式を解きます。 [ 2 ]内側の放射状境界は、太陽の音速点を超えて、通常は12.5  R ☉ WSAまたはMASで駆動する場合、太陽半径の約30倍の R☉で計算され、運用計算では計算領域は半径約0.1 AUから約2 AUの範囲で設定されることが多い。 [ 2 ] [ 15 ] [ 16 ]内側境界では、エンリルは一般に電子と陽子の温度が等しいと仮定し、パーカースパイラル幾何学の下で、太陽風の速度と半径成分から接線方向のIMFを再構築する。[ 17 ]

CMEの過渡現象をモデル化するために、予報官や自動ツールはコロナグラフ画像からCMEパラメータを推定し、円錐形状を用いてエンリル内部境界に流体力学的噴出物を挿入する。入力には、発生時刻、方向、速度、角度幅が含まれ、密度と厚さのスケーリングも含まれる場合がある。[ 18 ] [ 19 ]アメリカの宇宙物理学者VJピッツォは、この構成では「磁気雲成分が存在しない」ため、CMEの内部磁気構造と地磁気効果の予測は制限されるものの、到着時刻と全体の特性は予測可能であると強調した。[ 19 ]

運用上の使用

太陽圏、太陽系、そして星間物質におけるボイジャー1号宇宙船の位置を示す対数目盛りの図

WSA-Enlilは、NOAA宇宙天気予報センター（SWPC）によって運用されており、地球および太陽圏全体の他の場所における太陽風の状況とCMEの到達に関する全球予測を提供しています。SWPCはリアルタイムプロットを公開し、モデル出力のアーカイブを維持しており、2011年11月まで遡って継続的に利用可能なデータを提供しています。 [ 1 ] [ 13 ] NASAのコミュニティ協調モデリングセンター（CCM）は、研究目的、ミッションサポート、およびイベント駆動型リクエストのためにWSA-Enlilを運用しています。このモデルは、英国気象庁やその他の国立予報センターでも運用されています。Odstrcilは、このモデルが複数の宇宙船領域にわたる太陽圏宇宙天気の「準リアルタイム予測」を提供すると説明しています。[ 3 ]モデル出力は、研究と応用を支援するためにオープンデータセットとして配布されています。[ 20 ]

運用実験では通常、WSAモデルを使用して、太陽風の背景速度と内部境界における放射状の磁場構造を指定します。21.5  R ☉太陽半径。WSAモデルは、磁束管膨張係数と磁気フットポイントから最も近いコロナホール境界までの距離という2つの主要なパラメータに基づいて風速を計算します。これらのパラメータは、太陽の磁場構造をマッピングする総観磁力図から導出されます。[ 10 ] [ 17 ] NOAAの2023年のWSA-Enlil v3.0へのアップグレードでは、システムはゼロ点補正されたGONG総観磁力図を採用し、WSA-5.4で再調整された速度関係を実装しました。これは、地球のL1における周囲の太陽風予測を改善することを目的としています。[ 14 ]

研究者たちはWSA-Enlilを使用して、MAVENミッションのために火星の太陽風上流の状態を継続的に維持し、ソーラーオービター、パーカーソーラープローブ、STEREOなどの宇宙船の分析をサポートしてきました。[ 17 ] [ 3 ] WSA-Enlilの出力は、宇宙物理学者のジャネットG.ルーマンと同僚によって開発されたSEPMODアプローチを含む太陽高エネルギー粒子予測ツールの入力としても機能します。 [ 21 ]

SWPC運用初年度の25件のイベントを評価した結果、平均絶対誤差は約7.5時間であることが判明しました。[ 18 ] NASAのCCMCで2010年3月から2016年12月まで実施され、1,800以上のCMEを分析したより大規模な検証研究では、平均絶対誤差は10.4 ± 0.9時間であり、到着予測が早期になる傾向があることがわかりました。[ 22 ] WSA-Enlilに適用されたアンサンブル予測手法は、不確実性の範囲を推定するために使用されており、初期のリアルタイム試験では平均絶対誤差が12時間近くと報告され、選択されたケースではより小さな誤差が報告されています。[ 23 ] NASAのCMEスコアボードへのコミュニティからの提出物の比較研究は、物理ベースモデルと解析モデルの両方で、典型的な到着時間の不確実性は約10時間であることを示しています。[ 24 ]

運用上の「円錐」挿入法はCMEの放出物を流体力学的に扱うため、エンリルは1 AUにおけるCMEの内部磁場構造を予測することができません。宇宙物理学者のVJピッツォは、この制約を「磁気雲成分がない」と表現し、南向きのIMF Bzと磁気嵐の強度の予測を制限し、代わりに到達時間と衝撃波の特性に焦点を当てた予測を行うと述べています。[ 19 ]予測精度は、モデル化された周囲の太陽風の質とCME入力パラメータの精度に依存します。WSA-エンリルは成熟した広く使用されているツールであり、研究と運用の両方で「主力」となっていますが、CMEの内部境界条件の指定とCMEの形状に対する多視点制約をより適切にサポートできる可能性があります。[ 9 ] [ 3 ] [ 24 ]

参照

参考文献

  1. ^ a b c WSA-Enlil太陽風予測、NOAA宇宙天気予報センター、2025年11月10日閲覧。
  2. ^ a b c ENLIL 2.8f、NASAコミュニティコーディネートモデリングセンター、 2025年11月10日閲覧。
  3. ^ a b c d Odstrcil, Dusan (2023年8月8日)、「Heliospheric 3-D MHD ENLIL simulations of multi-CME and multi-spacecraft events」、Frontiers in Astronomy and Space Sciences、10 1226992、Bibcode : 2023FrASS..1026992O、doi : 10.3389/fspas.2023.1226992
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  7. ^ Odstrcil, Dusan; Pizzo, Victor J. (1999)、「構造化された太陽風流におけるコロナ質量放出（CME）の3次元伝播：2. ストリーマーベルトに隣接して発射されたCME」、Journal of Geophysical Research: Space Physics、104 (A1): 493– 504、doi : 10.1029/1998JA900038
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  23. ^ Mays, M. Leila (2015)、「WSA–ENLIL+Coneモデルを用いたCMEのアンサンブルモデリング」、Solar Physics、290 (6): 1775– 1814、arXiv : 1504.04402、Bibcode : 2015SoPh..290.1775M、doi : 10.1007/s11207-015-0692-1
  24. ^ a b Riley, P. (2018)、「コロナ質量放出の到着時刻予測：CCMC CMEスコアボードの分析」（PDF）、宇宙天気、16（9）：1245– 1260、arXiv：1810.07289、Bibcode：2018SpWea..16.1245R、doi：10.1029/2018SW001962
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