太陽周期

過去の太陽黒点数、マウンダー極小期とダルトン極小期、そして現代極大期を示す折れ線グラフ
マウンダー極小期を含む400年間の太陽黒点の歴史
第24太陽活動周期の予測では、2013年夏の終わりに黒点数が約69個と最大になるとされていました。黒点数は2013年8月に68.9個に達したため、公式の最大値は少なくともその程度でした。黒点数は2016年の最後の5ヶ月間、再びこの第2ピークに向かって上昇し、最初のピーク（2012年2月の66.9個）を超えました。多くの周期は二重ピークを経験しますが、黒点数の第2ピークが第1ピークよりも大きかったのは今回が初めてです。これは第24周期に入って5年以上経った後のことでした。予測された黒点数と観測された黒点数から、今回の黒点周期は1906年2月に64.2個が最大となった第14周期以来、最小の黒点周期となりました。[ 1 ]

太陽活動周期は、太陽磁気活動周期、黒点周期、シュワーベ周期とも呼ばれ、太陽表面の黒点数の変動で測定される、太陽活動の11年周期の周期的な変化です。太陽活動周期の期間中、太陽放射量と太陽物質の放出量、黒点の数と大きさ、太陽フレア、コロナループはすべて、活動が最低の期間から活動が最大になる期間、そして再び活動が最低になる期間へと同期した変動を示します。

太陽の磁場は太陽活動周期ごとに反転し、その反転は太陽活動周期が最大期に近づくと起こります。2太陽活動周期後、太陽の磁場は元の状態に戻り、ヘールサイクルと呼ばれるサイクルが完了します。

このサイクルは、太陽の外観の変化やオーロラなどの地上現象によって何世紀にもわたって観察されてきましたが、1843年まで明確に特定されていませんでした。太陽活動は、太陽周期と一時的な非周期的プロセスの両方によって駆動され、宇宙天気を作り出し、宇宙および地上ベースの技術、地球の大気、さらにはおそらく何世紀にもわたる気候変動に影響を与えることで、惑星間空間の環境を支配しています。

太陽活動周期を理解し予測することは、宇宙科学や宇宙の他の場所における 磁気流体力学現象の理解に大きな影響を与える、天体物理学における大きな課題の 1 つです。

気候変動に関する現在の科学的コンセンサスは、太陽の変動が地球規模の気候変動の推進にわずかな役割しか果たしていないというものである。 [ 2 ]近年測定された太陽の変動の大きさは、温室効果ガスによる強制力よりもはるかに小さいからである。[ 3 ]

太陽の磁気の進化

意味

太陽活動周期の平均期間は約11年です。太陽活動極大期と極小期は、太陽黒点数が最大となる期間と最小となる期間を指します。太陽活動周期は、ある極小期から次の極小期まで続きます。

観察履歴

ドイツの天文学者サミュエル・ハインリヒ・シュヴァーベ（1789年 - 1875年）は、太陽黒点の長期にわたる観測を通じて太陽周期を発見しました。
スイスの天文学者ルドルフ・ヴォルフ（1816年 - 1893年）は、17世紀まで遡って太陽活動の歴史的再構築を行った。

太陽の周期的周期という考え方は、1761年から1776年の間にデンマークのコペンハーゲンにあるルンデタールン天文台で行われた太陽黒点の定期的な観測に基づき、クリスチャン・ホレボウによって初めて提唱された。1775年、ホレボウは「ある一定の年数が経過すると、太陽の黒点の数と大きさに関して、太陽の外観が繰り返されるように見える」と記した。[ 4 ]しかし、太陽周期は、17年間の太陽観測の後、サミュエル・ハインリヒ・シュヴァーベが太陽黒点の平均数の周期的な変動に気づいた1843年まで明確に特定されなかった。 [ 5 ]シュヴァーベは1867年までさらに23年間、太陽黒点周期の観測を続けた。1852年、ルドルフ・ヴォルフはシュヴァーベや他の観測に基づき、1755年2月に始まった最初の番号付き太陽周期を特定した。[ 6 ]ウルフはまた、現在も使われている 標準的な太陽黒点数指数であるウルフ数も作成しました。

1645年から1715年の間、太陽黒点は非常に少なく観測・記録されました。これはグスタフ・シュペーラーによって初めて指摘され、後にこの特異な期間を広範囲に研究した夫婦、アニー・S・D・マウンダーとエドワード・ウォルター・マウンダーにちなんで「マウンダー極小期」と名付けられました。[ 7 ]

19世紀後半、リチャード・キャリントンとシュペーラーはそれぞれ独立して、太陽黒点が周期の異なる時期に異なる太陽緯度に現れる現象に気づきました。（シュペーラーの法則を参照）。アルフレッド・ハリソン・ジョイは後に、太陽黒点の「傾き」（先行黒点が後続黒点よりも赤道に近づく）の大きさが、これらの領域の緯度とともに大きくなることを説明しました。（ジョイの法則を参照）。

この周期の物理的根拠は、ジョージ・エラリー・ヘールとその協力者によって解明されました。彼らは1908年に太陽黒点が強く磁化されていることを示しました（これは地球外における磁場の初めての検出でした）。1919年には、後にヘールの法則として知られることになるいくつかのパターンを特定しました。

  • 同じ太陽活動半球では、双極性活動領域は同じ主導極性を持つ傾向があります。
  • 反対の半球（つまり、太陽赤道の反対側）では、これらの領域は逆の主導極性を持つ傾向があります。
  • 両半球の主要な極性は、太陽黒点サイクルごとに切り替わります。

ヘールの観測により、後にヘール周期と呼ばれることになる完全な磁気周期は、2太陽周期、つまり22年かけて元の状態（極性を含む）に戻ることが明らかになった。ほぼすべての現象は極性の影響を受けないため、11年周期の太陽周期は依然として研究の焦点となっている。しかし、ヘール周期の2つの半分は通常同一ではなく、11年周期ではウルフの黒点数の合計が通常高い部分と低い部分を交互に繰り返す（グネヴィシェフ・オール則）。[ 8 ]

1961年、ハロルド・バブコックとホレス・バブコック父子のチームは、太陽周期が太陽全体に広がる時空間的な磁気プロセスであることを確立しました。彼らは、太陽表面が黒点の外側で磁化されていること、この（弱い）磁場が第一級双極子であること、そしてこの双極子が黒点周期と同じ周期で極性反転を起こすことを観測しました。ホレスのバブコックモデルは、太陽の振動磁場が22年の準定常周期を持つと説明しました。[ 5 ] [ 9 ]このモデルは、トロイダル磁場とポロイダル磁場の成分 間の振動的なエネルギー交換をカバーしていました。

サイクル履歴

11,400年間の太陽活動の再現

過去 11,400 年間の太陽黒点数は、炭素 14とベリリウム 10 の同位体比を用いて再構築されている。[ 10 ] 1940 年代に始まった太陽活動のレベルは例外的で、同様の規模の最後の期間は約 9,000 年前（温暖な北半球期）に発生した。[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]太陽の磁気活動が同様に高レベルだったのは、過去 11,400 年間のわずか 10% 程度である。それ以前のほぼすべての高活動期間は、現在のエピソードよりも短かった。[ 12 ]化石記録は、太陽周期が少なくとも過去 7 億年間は安定していることを示唆している。例えば、ペルム紀初期の周期の長さは 10.62 年と推定されており[ 14 ] 、新原生代でも同様である。[ 15 ] [ 16 ]

放射性炭素年代測定で記録された太陽活動イベント。右側が現在の期間です。1900年以降の値は表示されていません。
主な出来事とおおよその日付
イベント 始める 終わり
ホメロス最小値[ 17 ]紀元前750年 紀元前550年
オールト最小値 西暦1040年 西暦1080年
中世の最大値 1100 1250
ウルフ最小値 1280 1350
シュペーラー最小値1450 1550
マウンダー極小期1645 1715
ダルトン最小値1790 1820
モダンマキシマム1933 2008

2009年までは、1699年から2008年までの309年間に28周期あり、平均周期は11.04年と考えられていましたが、その後の研究で、最長周期（1784年から1799年）は実際には2周期であった可能性があることが示されました。[ 18 ] [ 19 ]もしそうであれば、平均周期は約10.7年となります。観測開始以来、最短9年から最長14年の周期が観測されており、1784年から1799年の周期が2倍であるとすれば、2つの周期のうち1つは8年未満の長さでなければなりません。また、振幅の大きな変動も発生します。

太陽活動の歴史的な「極小期」の提案のリストがいくつか存在する。[ 11 ] [ 20 ]

最近のサイクル

サイクル25

太陽活動周期25は2019年12月に始まりました。[ 21 ]太陽活動周期25については、非常に弱いものから強いものまで、様々な方法に基づいていくつかの予測が行われています。 [ 22 ]データ駆動型の太陽ダイナモモデルと太陽表面フラックス輸送モデルに基づく物理学に基づく予測では、現在の極小期における太陽極磁場の強度が正しく予測されたようで、太陽活動周期25は弱いながらも無視できない規模となり、周期24と同程度かわずかに強くなると予測されています。[ 23 ]特に注目すべきは、今後10年間で太陽がマウンダー極小期のような（不活動）状態に陥る可能性を排除していることです。 2019年初頭に、太陽活動周期25予測パネルによる予備的な合意が成立した。[ 24 ] NOAAの宇宙天気予報センター（SWPC）とNASAが組織したこのパネルは、公表されている太陽活動周期25の予測に基づき、太陽活動周期25は太陽活動周期24と非常に類似すると結論付けた。彼らは、周期25の前の太陽活動周期極小期は、周期24の前の極小期と同様に長く深いものになると予想している。彼らは、修正された黒点数で示される黒点範囲が95から130である太陽活動極大期が2023年から2026年の間に発生すると予想している。

サイクル24

第24太陽活動周期は2008年1月4日に始まり、[ 25 ] 2010年初頭まで活動は最小限にとどまりました。[ 26 ] [ 27 ]この周期は「二重ピーク」の太陽活動極大期を特徴としています。最初のピークは2011年に99に達し、2番目のピークは2014年初頭に101に達しました。[ 28 ]第24太陽活動周期は11年を経て2019年12月に終了しました。[ 21 ]

サイクル23

第23太陽活動周期は1996年5月に始まり、2008年1月に終了するまで11.6年間続いた。この太陽活動周期中に観測された平滑黒点数（12ヶ月間の月間黒点数の平均）の最大値は120.8（2000年3月）、最小値は1.7であった。[ 29 ]この周期中に黒点が見られなかった日が合計805日あった。[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]

現象

太陽活動周期は磁気活動を反映しているため、太陽黒点、白斑/プラージュ、ネットワーク、コロナ質量放出など、磁気によって駆動されるさまざまな太陽現象が太陽活動周期に従います。

太陽黒点

ジョン・オブ・ウースターの年代記に描かれた太陽黒点の絵、1100年頃[ 33 ]

太陽の見かけの表面である光球は、黒点数が多いほど活発に放射します。衛星による太陽光度のモニタリングにより、太陽活動周期と光度の間には、ピークツーピークの振幅が約0.1%という直接的な関係があることが明らかになりました。[ 34 ]太陽黒点の大きな集団が地球の視野を横切る場合、光度は10日間で最大0.3%減少し、大きな黒点群に関連する白斑により、最大6ヶ月間、最大0.05%増加します。[ 35 ]

現在、最も優れた情報は、太陽の「表面」磁場を見ることができる MDI磁力図など、 SOHO (欧州宇宙機関とNASAの共同プロジェクト) から得られます。

各サイクルが始まると、太陽黒点は中緯度に現れ、その後赤道に徐々に近づいていき、太陽活動極小期に達します。このパターンは、いわゆるバタフライダイアグラムで視覚的に分かりやすく表現されます。太陽の画像を緯度方向に細長い帯状に分割し、月平均の黒点面積率を計算します。この値は色分けされた棒グラフとして縦にプロットされ、このプロセスが毎月繰り返されることで、この時系列図が作成されます。

この太陽黒点バタフライ図は、NASAマーシャル宇宙飛行センターの太陽グループによって作成されました。最新版はsolarcyclescience.comでご覧いただけます。

磁場の変化は太陽黒点に集中していますが、規模は小さいものの、太陽全体では同様の変化が起こります。

太陽磁場の放射状成分を太陽の自転周期にわたって平均化した、太陽緯度と時間の関係を示す図。低緯度では黒点の「バタフライ」状の模様が明瞭に観察できる。この図はNASAマーシャル宇宙飛行センターの太陽研究グループによって作成された。最新版はsolarcyclescience.comで閲覧できる。

白斑とプラージュ

ソーラープラージュ面積の経年変化

白斑は光球面上の明るい磁気的特徴である。彩層まで広がり、そこではプラージュと呼ばれる。プラージュ領域の進化は、典型的にはCa II K線（393.37 nm）の太陽観測によって追跡される。[ 36 ]白斑とプラージュ領域の量は太陽周期と位相を合わせて変化し、黒点よりも約1桁多い。[ 37 ]黒点とプラージュ領域は非線形の関係を示す。[ 38 ]プラージュ領域は、太陽表面の強い磁場とも関連している。[ 39 ] [ 40 ]

太陽フレアとコロナ質量放出

太陽の磁場はコロナを形成し、日食のときに見える特徴的な形状を与えます。複雑なコロナ磁場構造は、太陽表面の流体運動と、太陽内部のダイナモ作用によって生じる磁束の出現に応じて発達します。詳細はまだ解明されていない理由により、これらの構造が安定性を失い、太陽フレアやコロナ質量放出(CME) を引き起こすことがあります。フレアは、主に紫外線とX 線の波長のエネルギーの突然の放出で構成され、コロナ質量放出を伴う場合と伴わない場合があります。コロナ質量放出は、エネルギー粒子 (主に電離水素) を惑星間空間に注入します。フレアと CME は、磁気エネルギーの突然の局所的放出によって引き起こされ、紫外線、X 線、およびエネルギー粒子の放出を促します。これらの爆発的現象は、地球の上層大気と宇宙環境に大きな影響を与える可能性があり、現在「宇宙天気」と呼ばれているものの主な要因です。その結果、地磁気嵐[ 41 ]と太陽高エネルギー粒子[ 42 ]現象の両方の発生は、太陽黒点極大期近くにピークを迎える強い太陽周期変動を示している。

コロナ質量放出とフレアの発生頻度は、太陽活動周期によって大きく左右されます。同じ規模のフレアでも、太陽活動極大期には極小期よりも約50倍も頻繁に発生します。大規模なコロナ質量放出は、太陽活動極大期には平均して1日に数回発生し、太陽活動極小期には数日に1回程度発生します。これらの事象の規模自体は、太陽活動周期の位相に大きく左右されるわけではありません。その好例が、太陽活動極小期に非常に近い2006年12月に発生した3つの大規模なXクラスフレアです。12月5日に発生したX9.0フレアは、記録上最も明るいフレアの一つです。[ 43 ]

パターン

3つの太陽活動周期の概要は、太陽活動周期、銀河宇宙線、そして地球の近宇宙環境の状態との関係を示しています。[ 44 ]

約11年周期の太陽黒点周期に加えて、いくつかの追加のパターンと周期が仮定されている。[ 8 ]

ワルドマイヤー効果

ワルドマイヤー効果とは、太陽活動周期の最大振幅が、極小期と極大期の間の時間に反比例するという観察結果を指します。したがって、最大振幅が大きい周期は、振幅が小さい周期よりも、最大振幅に達するまでの時間が短くなる傾向があります。[ 45 ]この効果は、最初にこれを記述したマックス・ワルドマイヤーにちなんで名付けられました。[ 46 ]

グネヴィシェフ・オール則

グネヴィシェフ・オール則は、その本来の定式化によれば、11年周期の太陽活動の要約指標について、偶数周期とそれに続く奇数周期のペアには密接な関係があるが、反対のペアにはそのような関係は見られないことを述べている。[ 47 ]

グレイスベルクサイクル

グライスベルク周期は、約70～100年、あるいは7～8太陽周期の周期で発生する太陽活動周期の振幅変調を表す。ヴォルフガング・グライスベルクにちなんで名付けられた。[ 8 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]

イリヤ・G・ウソスキンとサミ・ソランキが先駆者となったように、氷床や年輪などの地上の貯蔵庫に蓄えられた炭素14とベリリウム10の宇宙線生成同位体[ 51 ]と、利用可能な宇宙線生成同位体データの終了と現代の衛星データの開始との間の時間的ギャップを埋める地磁気嵐活動の歴史的観測を使用することで、コロナと太陽圏の磁場の関連する100年規模の変動が検出されました。[ 52 ]

これらの変動は、磁束連続方程式と観測された黒点数を用いたモデルを使用して太陽大気の上層から太陽圏への磁束の出現を定量化する手法によって再現することに成功しており、[ 53 ]黒点観測、地磁気活動、宇宙線生成同位体が太陽活動の変動に対する収束的な理解をもたらすことを示している。

スースサイクル

ズース周期（またはド・フリース周期）は、太陽活動の放射性炭素プロキシに存在する周期であり、周期は約210年である。ハンス・エドゥアルト・ズースとヘッセル・ド・フリースにちなんで名付けられた。[ 49 ]計算された放射性同位体生成率は400年間の太陽黒点記録とよく相関しているにもかかわらず、400年間の太陽黒点記録自体にはズース周期の証拠はほとんどない。[ 8 ]

その他の仮説サイクル

2,300年のハルシュタット太陽変動周期

太陽活動の周期は太陽周期の約11（22）年よりも長いと提案されており、次のようなものがある。

  • ハルシュタットサイクル（氷河が拡大したヨーロッパの寒冷で湿潤な時期にちなんで名付けられた）は約2400年続くと仮定されている。[ 54 ] [ 55 ] [ 56 ] [ 57 ]
  • 炭素14比の研究では、105年、131年、232年、385年、504年、805年、2,241年の周期が提案されており、他の情報源から得られた周期と一致する可能性がある。[ 58 ]デイモンとソネット[ 59 ]は、炭素14に基づく208年と88年の中期および短期変動を提案し、さらに208年周期を変調させる2,300年の放射性炭素周期を示唆している。[ 60 ]
  • ブルックナー・エーゲソン・ロッカーサイクル（30～40年周期）。
  • 2021年の研究では、ヨーロッパ南極氷床コアリングプロジェクト（EPICA）の気温（δD）とCO2 - CH4記録[ 61 ]から、過去800千年にわたる更新世の気候の変化を調査しました。時系列分解特異スペクトル解析のフル解像度手法の利点を活用し、特に千年規模の太陽関連シグナルに焦点を当てています。[ 62 ] 3つの太陽関連サイクル（名前のない約9.7千年、提案されている「ハインリッヒボンド」約6.0千年、ハルシュタット約2.5千年）の量的な影響は、累積して約4.0％（δD）、2.9％（CO2 ）、および6.6％（CH4 ）の分散を説明します。文献ではほとんど知られていない約3600年周期の周期は、平均変動がわずか0.6%に過ぎず、太陽とは関連がないと思われるものの、重力起源の可能性も否定できない。80万年にわたるEPICAの弾道周回軌道記録には、太陽関連の千年スケールの信号が含まれており、太陽周期研究における重要な空白を埋めるものであり、中期更新世から後期更新世にかけての地球の気候システムの地域予算における太陽活動のわずかな役割を初めて実証した。

効果

太陽

太陽黒点数指数、TSI、10.7cm電波フラックス、フレア指数に見られる活動周期21、22、23。各量の縦軸スケールは、TSIと同じ縦軸に重ねてプロットできるように調整されている。すべての量の時間的変動は位相が厳密に同期しているが、振幅の相関度はある程度変動する。

表面磁性

太陽黒点は最終的に崩壊し、光球に磁束を放出します。この磁束は乱流対流と太陽の大規模流れによって分散・攪拌されます。これらの輸送メカニズムにより、太陽の高緯度域に磁化された崩壊生成物が蓄積され、最終的には極磁場の極性が反転します（上記のHathaway/NASA/MSFCのグラフで、青と黄色の領域が反転していることに注目してください）。

太陽磁場の双極成分は太陽活動極大期の前後で極性が反転し、太陽活動極小期にピーク強度に達します。

空間

宇宙船

CME（コロナ質量放出）は、高エネルギー陽子の放射線束を発生させます。これは太陽宇宙線とも呼ばれます。これらの放射線束は、衛星の電子機器や太陽電池に放射線損傷を引き起こす可能性があります。太陽陽子現象は、電子機器にシングルイベントアップセット（SEU）を引き起こすこともあります。同時に、太陽活動極大期における銀河宇宙放射線の放射束の減少は、粒子束の高エネルギー成分を減少させます。

CME放射線は、地球の磁場によって遮蔽される範囲外にいる宇宙ミッション中の宇宙飛行士にとって危険です。そのため、将来のミッション設計（例えば火星ミッション）には、このような事態が発生した際に宇宙飛行士が避難するための、放射線を遮蔽した「ストームシェルター」が組み込まれています。

グレイスバーグは連続したサイクルに基づいたCME予測方法を開発した。[ 63 ]

太陽活動極大期の放射照度の増加により地球の大気圏が拡大し、低軌道を周回する宇宙ゴミがより急速に再突入する原因となる。

銀河宇宙線フラックス

太陽放出物が惑星間空間へと外向きに膨張することで、プラズマの過剰密度が生じ、銀河系の他の場所から太陽系に侵入する高エネルギー宇宙線を効率的に散乱させる。太陽活動周期によって太陽噴出現象の頻度は変動し、それに応じて太陽系外縁部における宇宙線散乱の程度も変化する。その結果、太陽系内縁部における宇宙線フラックスは、太陽活動全体のレベルと逆相関する。[ 64 ]この逆相関は、地球表面における宇宙線フラックス測定で明確に検出されている。

地球の大気圏に突入する高エネルギー宇宙線の中には、大気中の分子状物質と激しく衝突し、核破砕反応を引き起こすものもあります。核分裂生成物には、地球の表面に沈殿する14Cや10Beなどの放射性核種が含まれます。これらの濃度は樹幹や氷床コアで測定できるため、はるか昔の太陽活動レベルを復元することが可能です。[ 65 ]このような復元結果は、20世紀半ば以降の太陽活動レベルが過去1万年間で最も高い水準にあり、その期間には活動が抑制された時期が様々な期間にわたって繰り返し発生していることを示唆しています。

雰囲気のある

太陽放射照度

総太陽放射照度（TSI）は、地球の上層大気に入射する太陽放射エネルギーの量です。TSIの変動は、1978年後半に衛星観測が開始されるまで検出できませんでした。1970年代以降、一連の放射計が衛星に搭載されて打ち上げられました。 [ 66 ] TSIの測定値は、10基以上の衛星で1355～1375 W/m 2の範囲でした。これらの衛星の一つであるACRIMSATは、 ACRIMグループによって打ち上げられました。1989年から1991年にかけての、重複しないACRIM衛星間の物議を醸した「ACRIMギャップ」は、ACRIMグループによって補間され、+0.037%/10年の増加を示す合成データとなりました。ACRIMデータに基づく別のシリーズはPMODグループによって作成されており、-0.008%/10年の低下傾向を示しています。[ 67 ]この0.045%/10年の差は、気候モデルに影響を与える可能性があります。しかし、モデルを用いて再構築された全太陽放射照度はPMODシリーズに有利であり、ACRIMギャップの問題は解決された。[ 68 ] [ 69 ] [ 70 ]

太陽放射照度は周期を通して系統的に変動し、[ 71 ]総放射照度とその相対的構成（紫外線対可視光線およびその他の周波数）の両方において変動する。太陽の光度は、中期太陽活動極大期には末期太陽活動極小期よりも0.07%明るくなると推定されている。1996年から2013年のTSI変動の主な原因（96%）は光球磁気であると考えられる。 [ 72 ]紫外線と可視光線の比率は変動する。[ 73 ]

TSIは太陽の磁気活動周期と同位相で変動し[ 74 ]、振幅は約0.1%で、平均値は約1361.5 W/m 2 [ 75 ]（「太陽定数」）である。平均値から最大-0.3%の変動は、大規模な黒点群によって引き起こされ、平均値から+0.05%の変動は、7～10日間のタイムスケールで、大規模な白斑と明るいネットワークによって引き起こされる[ 76 ] [ 77 ] 。衛星時代のTSI変動は小さいながらも検出可能な傾向を示している[ 78 ] [ 79 ]

太陽活動極大期には、黒点が平均的な光球よりも暗く（低温）なっているにもかかわらず、TSIは高くなります。これは、太陽活動極大期における黒点以外の磁化構造、例えば白斑や「明るい」ネットワークの活動要素が平均的な光球よりも明るく（高温）なことによって引き起こされます。これらの要素は、低温であるものの黒点数が少ないことに伴う放射照度不足を、総合的に補います。[ 80 ]太陽の自転と周期の時間スケールにおけるTSIの変化の主な要因は、これらの放射活性な太陽磁気構造の光球面被覆率の変化です。[ 81 ]

オゾン層の生成と消失に関わる紫外線放射のエネルギー変化は大気に影響を与える。30ヘクトパスカルの気圧高度は、太陽活動周期20～23の間に太陽活動と同期して変化した。紫外線放射の増加はオゾン層生成量の増加を引き起こし、成層圏の加熱と成層圏および対流圏の風系の極方向への変位をもたらした。[ 82 ]

短波長放射線

太陽周期: 1991 年 8 月 30 日以降から 2001 年 9 月 6 日までの10 年間分の「ようこう」 SXT 画像のモンタージュ。太陽周期中の太陽活動の変化を示しています。提供: ISAS (日本) とNASA (米国) の「ようこう」ミッション。

5870 Kの温度を持つ光球は、極端紫外線（EUV）以上の波長域の放射を一定の割合で放出します。しかし、太陽大気の上層（彩層とコロナ）は、より高温で、より多くの短波長の放射を放出します。上層大気は均質ではなく、顕著な磁気構造を有するため、太陽からの紫外線（UV）、極端紫外線（EUV ）、およびX線フラックスは周期的に大きく変動します。

左の写真モンタージュは、 1991 年 8 月 30 日の太陽活動周期 22 のピークから 2001 年 9 月 6 日の太陽活動周期 23 のピークまでの間に日本の衛星「ようこう」が観測した軟X 線の変動を示しています。同様の周期に関連した変動は、 SOHO 衛星やTRACE衛星などで観測されている太陽の紫外線や極端紫外線の放射量にも見られます。

太陽放射量全体のうちごくわずかな割合を占めるに過ぎないにもかかわらず、太陽からの紫外線、極端紫外線、そしてX線放射は地球の上層大気に甚大な影響を与えます。太陽からの紫外線フラックスは成層圏化学反応の主要な要因であり、電離放射線の増加は電離層の影響を受けた気温と電気伝導率に大きな影響を与えます。

太陽電波フラックス

太陽からのセンチメートル（電波）波長での放射は、主に活動領域上空の磁場に閉じ込められたコロナプラズマによるものです。[ 83 ] F10.7指数は、観測される太陽電波放射のピーク付近の波長10.7cmにおける単位周波数あたりの太陽電波フラックスの尺度です。F10.7は、SFUまたは太陽フラックス単位（1 SFU = 10 −22 W m −2 Hz −1）で表されることが多いです。これは、拡散した非放射性のコロナプラズマ加熱の尺度です。これは太陽活動レベル全体を示す優れた指標であり、太陽紫外線放射とよく相関しています。

太陽黒点活動は長距離無線通信、特に短波帯に大きな影響を与えますが、中波や低VHF周波数帯にも影響を及ぼします。太陽黒点活動の活発化は高周波帯での信号伝播の改善につながりますが、同時に太陽ノイズや電離層擾乱のレベルも増加させます。これらの影響は、太陽放射レベルの増加が電離層に与える影響によって引き起こされます。

10.7cmの太陽放射は、地上の2地点間通信に干渉する可能性があります。[ 84 ]

雲

宇宙線の変化がサイクル全体にわたって及ぼす影響についての推測には、次のようなものが考えられます。

  • 電離の変化は、雲の形成の凝結核となるエアロゾルの量に影響を与えます。[ 85 ]太陽活動が極小期にある間は、より多くの宇宙線が地球に到達し、雲凝結核の前駆体となる超小型エアロゾル粒子が生成される場合があります。[ 86 ]より多くの凝結核から形成された雲は、より明るく、より長く存続し、降水量が少なくなる可能性があります。
  • 宇宙線の変化は特定の種類の雲に影響を及ぼす可能性がある。[ 87 ]
  • 特に高緯度では、宇宙線の変動が地球の低高度の雲量に影響を与える可能性がある（高高度の雲との相関関係がないのとは異なり）、太陽駆動の惑星間磁場（およびより長い時間枠での銀河腕の通過）によって部分的に影響を受けるという提案があったが、[ 88 ] [ 89 ] [ 90 ] [ 91 ]、この仮説は確認されなかった。[ 92 ]

その後の論文では、宇宙線による雲の生成は核生成粒子では説明できないことが示されました。加速器実験では、雲の形成につながる十分な量の、かつ十分な大きさの粒子を生成することができませんでした。[ 93 ] [ 94 ]これには大規模な太陽嵐後の観測も含まれます。[ 95 ]チェルノブイリ事故後の観測では、誘発された雲は確認されていません。[ 96 ]

地上

生物

太陽活動周期が生物に与える影響については研究が進められている（時間生物学参照）。一部の研究者は、人間の健康との関連性を発見したと主張している。[ 97 ]

地球表面に到達する波長300nmの紫外線UVBの量は、保護層であるオゾン層の変動により、太陽活動周期を通じて数パーセント変動します。成層圏では、紫外線によるO2分子の分解によってオゾンが継続的に再生されています。太陽活動極小期には、太陽から受ける紫外線の減少によりオゾン濃度が低下し、地球表面に到達するUVBが増加します。[ 98 ] [ 99 ]

無線通信

無線通信のスカイウェーブモードは、電離層を通して電波（電磁放射）を曲げる（屈折させる）ことによって機能します。太陽活動サイクルの「ピーク」の間、電離層は太陽光子と宇宙線によってますます電離されます。これは電波の伝播に複雑な影響を与え、通信を促進または阻害する可能性があります。スカイウェーブモードの予測は、商用の船舶および航空機通信、アマチュア無線家、短波放送局にとって大きな関心事です。これらのユーザーは、太陽および電離層の変動に最も影響を受ける高周波（HF）無線スペクトル内の周波数を占有します。太陽出力の変化は、通信に使用できる最高周波数の制限である最大使用可能周波数に影響を与えます。

気候

太陽活動の長期的、短期的変動は地球の気候に影響を及ぼす可能性があると提唱されているが、太陽活動の変動と気候の間に何らかの関連を示すことは困難であることが判明している。[ 2 ]

初期の研究では、気象との相関関係を試みましたが、成功は限定的でした。[ 100 ]その後、太陽活動と地球気温との相関関係を研究する試みが続きました。この周期は地域気候にも影響を与えます。SORCEのスペクトル放射照度モニターの測定によると、太陽の紫外線変動は、例えば太陽活動極小期に米国と北ヨーロッパでは冬が寒くなり、カナダと南ヨーロッパでは冬が暖まることを示しています。[ 101 ]

太陽の変動が気候に与える影響を媒介するメカニズムとして、次の 3 つが提案されています。

  • 総太陽放射照度（「放射強制力」）。
  • 紫外線放射量。紫外線成分は総量よりも大きく変動するため、何らかの理由（まだ不明）で紫外線が不均衡な影響を及ぼしている場合、気候に影響を与える可能性があります。
  • 太陽風による銀河宇宙線の変化が雲量に影響を及ぼす可能性があります。

太陽活動周期の0.1%の変動は、地球の気候に小さいながらも検出可能な影響を及ぼします。[ 102 ] [ 103 ] [ 104 ]キャンプとタンは、太陽放射照度が太陽活動極大期と極小期の間の平均気温の0.18 K ±0.08 K（0.32 °F ±0.14 °F）の変動と相関していると示唆しています。[ 105 ]

その他の影響としては、小麦価格との関係を発見した研究[ 106 ]や、パラナ川の水量との弱い相関関係を発見した研究[ 107 ]などがあります。樹木の年輪の厚さ[ 14 ]や数億年前 の湖底の地層[ 15 ]には11年周期が見つかっています。

気候変動に関する現在の科学的コンセンサスは、太陽活動の変動が地球規模の気候変動の推進においてわずかな役割しか果たしていないというものです。[ 2 ]これは、近年の太陽活動の測定された規模が、温室効果ガスによる強制力よりもはるかに小さいためです。[ 3 ]また、2010年代の平均太陽活動は1950年代と同程度でした（上記参照）。一方、この期間に地球の平均気温は著しく上昇しました。その他、太陽活動が気象に与える影響に関する理解は低いと言えます。[ 108 ]

太陽の変動は、上層熱圏の密度を変化させることで、低地球軌道（LEO）上の物体の軌道の減衰にも影響を与える。[ 109 ]

太陽ダイナモ

11 年の太陽活動周期は、22 年のバブコック・レイトン太陽ダイナモ周期の半分であると考えられています。バブコック・レイトン太陽ダイナモ周期は、太陽プラズマ流によって媒介されたトロイダル磁場とポロイダル磁場の間の振動的なエネルギー交換に対応し、このプラズマ流も各段階でダイナモ システムにエネルギーを供給します。太陽活動周期極大期には、外部のポロイダル双極磁場はダイナモ周期の最小強度に近づきますが、タコクライン内の差動回転によって生成された内部のトロイダル四重極磁場は最大強度に近づきます。ダイナモ サイクルのこの時点では、対流層内の浮力による湧昇によってトロイダル磁場が光球を通過して出現し、おおよそ東西に揃って磁気極性が反対の黒点のペアが発生します。黒点ペアの磁気極性は太陽活動周期ごとに交互になり、この現象はヘールの法則で説明されます。[ 110 ] [ 111 ]

太陽活動周期の衰退期には、エネルギーが内部トロイダル磁場から外部ポロイダル磁場へと移行し、黒点数は減少します。太陽活動極小期には、トロイダル磁場の強度もそれに応じて最小となり、黒点数は比較的少なく、ポロイダル磁場の強度は最大となります。次の周期では、差動回転によって磁気エネルギーがポロイダル磁場からトロイダル磁場へと変換され、その極性は前の周期とは逆になります。このプロセスは継続的に継続され、理想的かつ単純化されたシナリオでは、11年周期の黒点周期は太陽の大規模磁場の極性の変化に対応します。[ 112 ] [ 113 ]

太陽ダイナモモデルは、太陽内部における差動回転、子午面循環、乱流ポンピングといったプラズマフラックス輸送過程が、太陽磁場のトロイダル成分とポロイダル成分の循環において重要な役割を果たしていることを示唆している。[ 114 ]これらのフラックス輸送過程の相対的な強さは、太陽周期の「記憶」を決定づけるもので、これは物理学に基づく太陽周期予測において重要な役割を果たす。特に、確率的に強制された非線形太陽ダ​​イナモシミュレーションは、太陽周期の記憶が短く、1周期を超えて持続することを証明しており、正確な予測は次の太陽周期までしか可能ではなく、それ以降は不可能であることを示唆している。[ 115 ] [ 116 ]太陽ダイナモ機構における1周期分の短い記憶というこの仮説は、後に観測的に検証された。[ 117 ]

タコクラインは長い間、太陽の大規模磁場生成の鍵であると考えられてきたが、最近の研究はこの仮説に疑問を投げかけている。褐色矮星の電波観測は、褐色矮星も大規模磁場を維持しており、磁気活動の周期性を示す可能性があることを示している。太陽には放射核とそれを囲む対流層があり、この2つの境界にタコクラインが存在する。しかし、褐色矮星には放射核もタコクラインもない。褐色矮星の構造は、核から表面まで太陽のような対流層で構成されている。褐色矮星はタコクラインを持たずとも太陽のような磁気活動を示すことから、太陽の磁気活動は対流層でのみ生成されるのではないかと示唆されている。[ 118 ]

惑星の推測される影響

2012年の論文では、太陽深部にある非球形のタコクライン層に惑星が及ぼすトルクが、太陽ダイナモを同期させる可能性があると提案された。 [ 119 ]その結果は、エイリアシングにつながる平滑化法を誤って適用したことによるアーティファクトであることが示された。[ 120 ]その後、惑星の力が太陽に及ぼす影響を考慮した追加モデルが提案された。[ 121 ]しかし、太陽の変動は1太陽周期を超えて本質的に確率的かつ予測不可能であることが知られており、これは惑星が太陽ダイナモに決定論的な影響を与えるという考えと矛盾している。[ 122 ]現代のダイナモモデルは、惑星の影響を受けずに太陽周期を再現することができる。[ 23 ]

1974年に出版された著書『木星効果』は、惑星の配置が太陽の太陽風、ひいては地球の天候を変化させ、1982年3月10日に複数の大災害を引き起こすと示唆した。しかし、これらの大災害はいずれも発生しなかった。2023年、Cioncoらによる論文は、金星と木星による太陽への潮汐作用が、太陽全体の潮汐力生成ポテンシャルに大きな影響を与える可能性は低いことを実証した。[ 123 ]

参照

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一般的な参考文献

ウィキメディア コモンズには、太陽周期に関連するメディアがあります。
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