icrr | institute for cosmic ray research university of tokyo...

hmiya@icrr.u-tokyo.ac.jp

宇宙線起源核種による過去1200年間の太陽活動と宇宙線変動

縄文杉＠屋久島

1宮原 ひろ子2横山祐典, 3松崎浩之4増田公明, 4永冶健太郎, 5中村俊夫, 6北川浩之,7村木綏

1 宇宙線研 （宇宙基礎物理研究部門 ）2 東大・海洋研 3 東大・原子力4 名大・STE 5 名大・年測センター 6名大・環境学7 甲南大・理工

宇宙線（～数GeV）の太陽変調と14Cの振る舞い

14Cの測定により目指すサイエンス

これまでの研究成果の紹介

まとめと今後の展望

Monitoring cosmic ray flux using 14C

14N + n →14C + p

14CO2

Cosmic Ray Air Shower in the Atmosphere

Modulation by Solar Magnetic Field

Galactic Cosmic Rays

Secondary neutron

Modulation by Geomagnetic Field

Tree-rings

Photo synthesis

101 102 103 104 105 106

Energy (MeV)

10

1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

10-6

Diff

eren

tial 1

4 C Y

ield

-30

-10

10

30

50

70

90

（木越, 1966）

地磁気変動による年輪中14Cの経年変化

Compiled 14C data (5~10yr resolution)

(back to ~14000 years ago)

(Stuiver 1998)

Δ14

C (p

erm

il)

12

10

8

6

地磁

気双

極子

モー

メン

ト(1

022A

m2 )

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000年 （Before Present）

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000年（Before Present）

(現在)

(現在)

(現在)

P. Riley et al., JGR 2002

2000

2500

3000

3500

4000

4500

1950 1960 1970 1980 1990 2000Year AD

Neu

tron

Flux

at C

limax

0

100

200

300

400

Sunspot Num

ber .

Latitudinal solar magnetic profile

Sunspot number

Neutron data

Sunspot number

太陽圏磁場構造の11年変動と宇宙線の太陽変調

－－ ＋＋－－ ＋＋

Drift model (Jokipii et al., ApJ, 1977; Kota & Jokipii, 2001)

Magnetic activityat solar surface

(Kota & Jokipii, 2001)

(From Okazaki, 2008)

(Small tilt = solar min) (Large tilt = solar max)

v =B×∇B2勾配ドリフト

B=0.01~5nT

: Heliospheric Current Sheet : Heliospheric Current Sheet

Fig. 太陽圏の断面図 （from Okazaki, 2007）

（極性負） （極性正）

2GeV

pro

ton

-12

-9

-6

-3

0

3

6

1880 1900 1920 1940Year AD

Δ14

C an

omal

y (p

er m

ill)

0

100

200 Sunspot Num

ber

2000

2500

3000

3500

4000

4500

1950 1960 1970 1980 1990 2000Year AD

Neu

tron

Flux

at C

limax

0

100

200

300

400

Sunspot Num

ber .

14C in tree-rings (shifted by 3yrs according to the residence time)

Blue : 14C dataRed : 3-yr running ave

Neutron flux

－－ ＋＋－－ ＋＋

－－ ＋＋－－ ＋＋

太陽変調による年輪中14Cの経年変化

Blue : 14C dataRed : 3-yr running ave

－－ ＋＋－－ ＋＋

-12

-9

-6

-3

0

3

6

1880 1900 1920 1940Year AD

Δ14C

ano

mal

y (p

er m

ill)

0

100

200 Sunspot Num

ber

◎太陽周期の平均的な周期長

○太陽双極子磁場の反転（極性）

△太陽圏磁場構造

×太陽活動レベル 14C in tree-rings

問題点

14Cの変動幅 0.5～0.6％加速器質量分析計の誤差 ～0.3%

2010年に海洋研に加速器質量分析計が導入される予定

0.3% ⇒ 0.12%

樹木年輪14Cにより検出できる変動 現状と問題点

分析機器の高精度化により1サイクル毎の周期長の検出可

双極子消失時（四重極構造）の場合については今後、宇宙線変調の数値シミュレーションが必要

大気循環を介さない他の核種（10Beなど）との組み合わせにより

より詳細な磁場構造を探ることが可能

11年周期の周期長と

活動度の逆相関関係が確立されれば◎

(tilt angle)

◇ 太陽の11～2400年周期にともなう太陽圏磁場の変化と宇宙線の変調

南極アイスコア中10Beの測定データを加えることによりより詳しい宇宙線モジュレーションの基礎データを得る

（14Cの11年変動のシグナルとの比較により年代決定精度が向上）

14C量の測定（分解能1年）により目指すサイエンス

0

50

100

150

200

250

1600 1700 1800 1900 2000Year AD

Suns

pot n

umbe

r

The Maunder Minimum（1645-1715AD）太陽ダイナモモデルに観測的制約

銀河宇宙線の太陽変調の物理

宇宙線の気候（雲形成）への影響を探る

◇ 太陽11年、200年、2400年周期の変遷史

◇ 約200年に1度の黒点消失期（マウンダー極小期など）の発生メカニズムとダイナモの変動特性

◇ 黒点消失の前兆現象に関する情報⇒予測へ

◇ 11年周期の伸縮により太陽活動度レベルの経年変化をモニター

◇ 宇宙線の11年/22年周期の気候への影響を調べる基礎データ

（「宇宙線が雲核を増やして地球を冷やす」スベンスマルク仮説の検証）

30N

136E 144E128E

Japan

Yaku-Island

室生杉（1607AD～現在）

屋久杉（150 AD～現在）

埋没ヒノキ（2万年前）

埋没クスノキ（2400年前）

30N

40N

年輪試料の採取地

試料調整・測定手法

0

200

400

600

800

1952 1958 1964 1970 1976Year

Δ 14

C (‰

)

① 年輪の絶対年代の決定

核実験による14Cピーク（1964年）の検出

年輪幅パターンマッチングによる年代決定

1.5mg C

② 年輪の剥離と化学洗浄

塩酸-水酸化ナトリウム-塩酸（AAA） 処理

③ グラファイト合成

年輪試料の燃焼⇒CO2ガスの純化⇒水素還元⇒グラファイト

④ 加速器質量分析計（Accelerator Mass Spectrometer）

による14C/12Cの測定 Target holder

Bomb peak

加速器質量分析計の原理

12C ： 13C ： 14C = 0.989 ： 0.011 ：1.2×10-12存在比

測定結果： 過去1100年間における太陽”11年”周期の変遷

(10年値)

マウンダー極小期シュペーラー極小期

ダルトン極小期オールト極小期

~9年周期

11~13 年周期

10~11年周期 9~11年周期

11~14年周期 ~14年周期 ~13年周期

Δ14 C

(per

mil)

~11 年周期

（青点: Miyahara et al., 2004, 2006, 2007黒点: Stuiver, 1998; 灰点：Damon, 2003 ）

中世の活発期 中世の活発期

西暦年

-30

-10

10

30

800 1100 1400 1700 2000

-4

0

4

81600 1650 1700 1750 1800

Year AD

Δ14C

(per

mill

)

0

100

200

p

Miyahara et al., Sol. Phys. 2004, JGR, 2006,EPSL, 2008

14C

黒

周期長と活動度に逆相関の傾向(Solanki, 2002; Hathaway, 2003; 2004らの結果を支持)

Peri

od (m

onth

s)

マウンダー極小期の黒点消失は太陽内部の対流速度の低下に起因？？

14yr=168 months 9yr=108 months

(10年値)

マウンダー極小期シュペーラー極小期

ダルトン極小期オールト極小期

~9年周期

11~13 年周期

10~11年周期 9~11年周期

11~14年周期 ~14年周期 ~13年周期

Δ14 C

(per

mil)

~11 年周期

（青点: Miyahara et al., 2004, 2006, 2007黒点: Stuiver, 1998; 灰点：Damon, 2003 ）

中世の活発期 中世の活発期

西暦年

-30

-10

10

30

800 1100 1400 1700 2000

※誤差±0.5年

測定結果： 過去1100年間における太陽”11年”周期の変遷

(Vonmoos, 2006)

(Solanki, 2004; 2005)

400

0

Φ (M

eV)

Present

Based on 14C

Based on 10Be

Long-term trend of solar activity level : Contradicting features of 14C and 10Be

宇宙線と気候

過去1200年間における気温変化と太陽活動

小氷河期

中世の温暖期

黒点

年輪中炭素14による

南極氷床中ベリリウム同位体による

全球氷床中ベリリウム同位体による

西暦年

太陽活動活発期

太陽活動極小期（静穏期）

（Usoskin, 2004）

（IPCC2007） 太陽活動と気候変動には似たような変動や周期性が多数報告されている

2004.12.2

日射 , 紫外線

simple “11-year” variation

銀河宇宙線

“11-year” / “22-year” cycles

気候変動の外的要因の主要な候補

(Svensmark, 2007)

Total Solar Irradiance Composite

Tota

l Sol

ar Ir

radi

ance

[W/m

2 ]

Year

Monthly Sunspot N

umber

A+A-A+ A-

Polarity of the Sunpositive negative positive negative

ACRIM

Dalton Minimum

Climate cycle = ~28 yearsClimate cycle = ~26 years

0.06

0.04

0.02

0

[℃]

22-year cycle detected in tree-ring width (proxy of temperature)

Maunder Minimum

Climate cycle = ~19 yearsMedieval Maximum

GC

R

(Kota, 1983; 2003)

Maunder

PresentActive

気温

(Vinther, 2003)

(Miyahara, et al., EPSL, 2008)Solar forcing of climate during the Maunder Minimum

GC

R

(Kota, 1983; 2003)

Maunder

PresentActive

太陽活動度が下がると極性負のsolar minimumで寒くなる

14C

まとめと展望

14Cの1年分解能での測定により、太陽、太陽圏、宇宙線、気候の

変動の物理を理解するために必要な基礎データが得られる

- 既知の太陽周期が網羅できる過去2万年間をターゲットにする- データの高精度化、高効率化が必要 （2010年頃から可能になる予定）

今後、南極氷の10Be等の分析を組み合わせることにより

さらに様々なサイエンスが可能

- 宇宙線の長期的変化・可変性に関して、より詳細な情報

宇宙線が気候を左右するメカニズムの解明に向けて

- 素過程 ・・・ CERNでの基礎実験（SKY、CLOUD実験）

- 気候システムに与える影響・・・neutron データと雲データの解析- 氷河期（生物起源エアロゾル,水蒸気の欠乏時）における宇宙線と気候