Reconstruction of annual solar irradiance over the last three millennia

技術的概要：過去3千年にわたる年次太陽放射照度の再構築

問題提起
全太陽放射照度（TSI）の直接測定は、衛星観測時代（1978年以降）に限定されており、数十年を超える時間スケールにおける太陽変動の理解には大きな欠落がある。黒点数（SN）は4世紀にわたる直接的な観測記録を提供するが、これは太陽表面磁気のうち暗黒成分のみを表すものである。太陽活動周期およびそれ以上の時間スケールで放射照度変動を支配する明るい磁気構造（ファククラおよびネットワーク）に関する直接的な情報は提供しない。したがって、黒点数のみに基づく放射照度の再構築は、間接的に総磁場の変遷を推定せざるを得ず、黒点数がゼロに近づく長期の極めて低い活動期（グランドミニマ）において、この制限が決定的な問題となる。ホロセーン全体を対象とした以前の物理ベースの再構築は、宇宙生成同位体データの低い信号対雑音比により、10年分解能に制限されていた。

手法
著者らは、望遠鏡時代を超えてSATIRE-T（Spectral And Total Irradiance REconstructions）モデルを拡張することにより、過去3千年にわたる年次TSIの物理ベースの再構築を提示する。手法は以下の構成要素に依存する。

• モデル枠組み: 本研究は、Temajら（2026、「Paper 1」）で改訂・最適化されたSATIRE-Tモデルを利用する。このモデルは、太陽表面磁場の変遷から導出される黒点、ファククラ、およびネットワーク領域の円盤面積率から、放射照度の変動を計算する。磁束の変遷は、磁束の出現、輸送、減衰を考慮した連常微分方程式によって支配される。重要なのは、このモデルがKrivovaら（2021）による改訂された出現モデルを組み込んでいる点であり、そこではあらゆるサイズの磁気領域が単一のべき乗則分布に従って出現する。これにより、黒点数がゼロまたはほぼゼロの期間であっても、小規模磁束の連続的な出現が保証され、現実的な背景磁場が維持される。
• 入力データ: このモデルは、Usoskinら（2021, 2025, 2026）によって宇宙生成同位体記録（特に樹木年輪中の$^{14}$C）から導出された年次分解された黒点数再構築データによって駆動される。これらのデータセットは、971–1899年、997–1年、および1–969年の各期間をカバーする。
• 時間分解能の処理: 磁束変遷モデルは日次刻みで動作するため、年次SN入力は「ボックスカー」表現を用いて日次時系列に変換される。ここで、年次SN値は対応する年のすべての日に均一に割り当てられる。これにより、年次平均値は厳密に保持される。
• 負の値の扱い: $^{14}$Cに基づくSN再構築は、統計的ノイズによりグランドミニマ中にわずかな負の値を生成することがある。著者らは、これらが宇宙線の基礎的な変調を反映しているため、これらの値を保持する。SN < 0の場合、磁束出現分布の活動依存スロープは、最低の正の値から線形に外挿される。この選択は、この領域における磁束出現が極めて微弱であるため、再構築された放射照度への影響は無視できるとみなされる。
• 検証: 本再構築は、望遠鏡時代の記録（ISNv2、GSN、およびその他のデータセットを使用）および独立した地磁気指数再構築（Lockwood & Owens 2024）に対して検証される。

主要な貢献

• 初の年次物理ベース再構築: 本研究は、望遠鏡時代以前のための、物理ベースかつ年次分解されたTSI再構築を提供し、記録を2.5千年以上延長する。
• 時代を超えた一貫性: 望遠鏡時代に用いられた同一の物理モデルとパラメータを、宇宙生成同位体由来のSN入力に適用することで、放射照度記録の物理的に一貫した延長を確保する。
• グランドミニマの解決: 背景磁場を生成するために黒点の存在のみに依存しない磁束出現モデルを利用することで、グランドミニマにおける従来の黒点数のみのモデルの制限に対処する。

結果

• TSI変動: 完全な3千年の期間において、再構築されたTSIは、50年移動平均値の最大と最小の間で$1.04^{+0.14}_{-0.2}$ W m$^{-2}$の最大差を示す。不確実性の範囲（0.84–1.18 W m$^{-2}$）は、$^{14}$CベースのSN再構築の上限と下限でモデルを駆動することによって得られたばらつきを反映する。
• 以前の研究との比較: 推定された長期的変動の振幅は、以前に発表された多千年再構築の下限に位置する。著者らは、そのような比較が時間分解能の差異によって本質的に制限されており、長期的変動の大きさは、千年単位の延長そのものではなく、現代の観測に対するモデルの較正によって実質的に制約されていると指摘する。
• 一貫性チェック: $^{14}$CベースのTSI再構築は、重なり期間（1600–1900年）において、代替の望遠鏡黒点データセット（例：ISNv2対CEA17 GSN）から導出された不確実性の範囲内に収まっている。再構築された開放太陽磁束（OSF）も、独立した地磁気再構築と一致する。
• 低活動時の挙動: 長期の極小期において、再構築は特定の太陽活動周期を解像するよりも、主に平均活動レベルを制約する。著者らは、ゼロSNを中心とした正の偏差がTSIを低下させる負の偏差よりも効果的にTSIを増加させるというわずかな非対称性を指摘しており、これはグランドミニマ中の時間平均TSIにわずかな上方バイアスを生じさせる可能性がある。

重要性
本論文は、長期的かつ年次分解された太陽強制力を必要とする研究にとって重要な記録を提供すると主張する。直接太陽観測の期間を超えて、年次分解された放射照度変動を物理的に一貫した方法で再構築できることを実証することで、この研究は衛星時代の実測値とホロセーンの気候記録の間のギャップを埋める。著者らは、再構築が検証済みのSATIRE-Tモデルの延長である一方で、長期的変動の大きさはモデルの定式化と現代データへの較正によって制約されていることを強調する。生成されたデータセットは、太陽・地球関係の研究に利用するためにコミュニティに提供される。