Energetic electron precipitations and their impact to the middle atmosphere based on coordinated groundbased observations

• Project/Area Number: 20H01955
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 17010:Space and planetary sciences-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 土屋 史紀 東北大学, 理学研究科, 准教授 (10302077)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大矢 浩代 千葉大学, 大学院工学研究院, 助教 (00241943) ; 西山 尚典 国立極地研究所, 先端研究推進系, 助教 (00704876) ; 芳原 容英 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (10303009) ; 三好 由純 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 教授 (10377781) ; 田所 裕康 千葉経済大学, 経済学部, 准教授 (40582797) ; 水野 亮 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 教授 (80212231)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000); Fiscal Year 2022: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2021: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2020: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000)
• Keywords: 放射線帯 / 中間圏 / 高エネルギー電子 / プラズマ波動 / 磁気圏 / 電波伝搬 / オゾン

Outline of Research at the Start

磁気圏のなかで加速された電子が双極子磁場に閉じ込められた領域を放射線帯と呼ぶ。放射線帯の電子が地球大気へ降下する現象は、放射線帯の重要な損失過程であると同時に、中層大気に化学的な影響を及ぼすことから、この発生機構の現象の解明は、宇宙物理学・大気化学の双方で重要な研究課題となっている。本研究は、放射線帯電子が中層大気に降下することで生じる電離を検出する地上低周波電波観測を中心に、両分野の研究課題をつなぐ取り組みを行う。低周波電波観測をオーロラ観測・あらせ衛星観測と連携し、放射線帯電子の降下機構の解明を目指す。ミリ波分光観測と連携し、電子の降下が中層大気へ及ぼす化学的影響を実証する。

Outline of Annual Research Achievements

惑星周辺の宇宙空間における高エネルギー粒子の生成・消失過程と、その高エネルギー粒子が惑星大気に及ぼす影響の理解は、太陽系の複数の惑星に跨る研究課題である。本研究は地球を対象に、放射線帯電子の大気への降下を引き起こす物理過程はなにか(課題A)、放射線帯電子の降下は中層大気に如何に影響を及ぼすか(課題B)、の二つの研究課題について実証的なアプローチにより取り組む。
課題Aでは、放射線帯電子の降下を観測する低周波電波と低高度衛星、及びオーロラ・磁場の地上観測の連携により、放射線帯電子の散乱を担うホイッスラーモード波動と電磁イオンサイクロトロン(EMIC)波動を特定しながら大気への電子の損失を観測した。
ホイッスラーモードコーラス波動の間欠的な発生により電子降下のバースト現象（マイクロバースト）が発生していること、電子降下が磁気嵐に発生頻度が高くなり、発生領域が朝側の偏ることを明らかにした。EMIC波動の発生が放射線帯外帯の損失と良い対応を示す事例について、地上多点観測、RBSP衛星、POES衛星、GNSS-TECを使った詳細な解析を行った結果、IPDPタイプのEMIC波動は発生域が放射線帯の外側から内側に動くことによって、幅広い領域で電子の損失を引き起こす可能性を指摘した
課題Bでは、高エネルギー電子降下により中間圏で生じる電離と、電離による低周波電波伝搬の変調を、大気の電離モデルと電波伝搬モデルを用いて再現することに成功した。このモデル計算を用いて、EMIC波動による電子降下現象では、MeV帯の電子が大気に降り込んでいることを明らかにした。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

新型コロナウィルスの影響で海外出張が困難であったことから、北欧におけるオーロラ・ミリ波分光観測との観測連携を強化するための、フィンランド北部への受信点の新設は次年度に延期することとなった。一方、低周波電波観測、ミリ波観測、オーロラ観測装置の校正作業・性能向上開発を優先して行い、研究計画の遅延を最小化する工夫を実施した。

Strategy for Future Research Activity

新型コロナウィルス感染症の流行による海外渡航制限の緩和に従って、海外への低周波電波装置の機器設置を進めるとともに、既存の低周波電波装置のデータを用いた解析やモデル計算を進め、科学的成果の創出・公表をすすめる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Athabasca University(カナダ)
• [Int'l Joint Research] University of Alaska(米国)
• [Int'l Joint Research] Athabasca University(カナダ)
• [Journal Article] Simultaneous Pulsating Aurora and Microburst Observations With Ground‐Based Fast Auroral Imagers and CubeSat FIREBIRD‐II (2021)
  • Author(s): Kawamura Miki、Sakanoi Takeshi、Fukizawa Mizuki、Miyoshi Yoshizumi、Hosokawa Keisuke、Tsuchiya Fuminori、Katoh Yuto、Ogawa Yasunobu、Asamura Kazushi、Saito Shinji、Spence Harlan、Johnson Arlo、Oyama Shin'ichiro、Br?ndstr?m Urban
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 48 Issue: 18 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1029/2021gl094494
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ULF Modulation of Energetic Electron Precipitations Observed by VLF/LF Radio Propagation (2020)
  • Author(s): Takuya Miyashita,Hiroyo Ohya,Fuminori Tsuchiya,Asuka Hirai,Mitsunori Ozaki,Kazuo Shiokawa,Yoshizumi Miyoshi,Nozomu Nishitani,Mariko Teramoto,Martin Connors,Simon G. Shepherd,Yoshiya Kasahara,Atsushi Kumamoto,Masafumi Shoji,Iku Shinohara,Hiroyuki Nakata,Toshiaki Takano
  • Journal Title: Radio Science Bulletin Volume: 372 Pages: 29-40
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Simultaneous pulsating aurora and microburst observations with ground-based fast auroral imagers and CubeSat FIREBIRD-II (2021)
  • Author(s): Miki Kawamura,Takeshi Sakanoi,Mizuki Fukizawa,Yoshizumi Miyoshi,Keisuke Hosokawa,Fuminori Tsuchiya,Yuto Katoh,Yasunobu Ogawa,Kazushi Asamura,Shinji Saito,Harlan Spence,Arlo Johnson,Shin’ichiro Oyama,Urban Brandstrom
  • Organizer: AGU fall meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Energetic electron precipitation associated with pulsating aurora: Statistical analysis of sub-ionospheric VLF radio propagation and low altitude satellite (2021)
  • Author(s): Fuminori Tsuchiya,Asuka Hirai,Yoshizumi Miyoshi,Shiokawa Kazuo,Hiroyo Ohya,Yoshiya Kasahara,Atsushi Kumamoto,Martin G Connors,Takahiro Obara,Hiroaki Misawa and Iku Shinohara
  • Organizer: AGU fall meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The mechanism of frequency increase of IPDP type EMIC waves: event analysis of ground and satellite observations on 19 April 2017 (2021)
  • Author(s): Asuka Hirai,Fuminori Tsuchiya,Takahiro Obara,Yasumasa Kasaba,Yuto Katoh,Hiroaki Misawa,Kazuo Shiokawa,Yoshizumi Miyoshi,Chae Woo Jun,Satoshi Kurita,Martin G Connors and Aaron Hendry
  • Organizer: AGU fall meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] VLF帯送信電波伝搬の数値計算を用いたプロトンオーロラに伴う下部電離層擾乱のモデリング (2021)
  • Author(s): 野本博樹,芳原容英,土屋史紀,平井あすか
  • Organizer: 電子情報通信学会, 環境電磁工学研究会
• [Presentation] Modeling of Perturbation in the Lower Ionosphere caused by EMIC waves using Numerical Simulation of subionospheric VLF signals (2021)
  • Author(s): 野本 博樹,芳原 容英,土屋 史紀,平井 あすか
  • Organizer: 第150回 地球電磁気・地球惑星圏学会 総会・講演会
• [Presentation] Simultaneous pulsating aurora and microburst observations with ground-based fast auroral imagers and CubeSat FIREBIRD-II (2021)
  • Author(s): 川村 美季,坂野井 健,吹澤 瑞貴,三好 由純,細川 敬祐,土屋 史紀,加藤 雄人,小川 泰信,浅村 和史,齊藤 慎司,スペンス ハラン,ジョンソン アルロ,大山 伸一郎,ウルバン ブランドストローム
  • Organizer: 第150回 地球電磁気・地球惑星圏学会 総会・講演会
• [Presentation] 地上-衛星複合観測に基づくIPDPタイプEMIC波動の発生領域と周波数上昇に関する解析 (2021)
  • Author(s): 平井あすか、土屋史紀、小原隆博、笠羽康正、加藤雄人、三澤浩昭、塩川和夫、三好由純、Chae-Woo Jun、栗田怜、Martin Connors、Aaron Hendry、新堀淳樹、大塚雄一、津川卓也、西岡未知
  • Organizer: 太陽地球系物理学分野のデータ解析手法、ツールの理解と応用
  • Invited
• [Presentation] VLF/LF帯標準電波から得られたD領域電離圏における高エネルギー降下電子のULF変調 (2021)
  • Author(s): 田中健太郎、大矢浩代、土屋史紀、塩川和夫、三好由純、寺本万里子、Martin Conners、中田裕之
  • Organizer: 太陽地球系物理学分野のデータ解析手法、ツールの理解と応用
• [Presentation] Simultaneous pulsating aurora and microburst observation with ground-based fast auroral imagers and the Cubesat FIREBIRD-II (2021)
  • Author(s): Miki Kawamura,Takeshi Sakanoi,Mizuki Fukizawa,Yoshizumi Miyoshi,Keisuke Hosokawa,Fuminori Tsuchiya,Yuto Katoh,Yasunobu Ogawa,Kazushi Asamura,Harlan Spence
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Energetic electron precipitations showing ULF modulation observed by VLF/LF transmitter signals (2021)
  • Author(s): Tanaka Kentaro,Hiroyo Ohya,Fuminori Tsuchiya,Kazuo Shiokawa,Yoshizumi Miyoshi,Nozomu Nishitani,Tomoaki Hori,Mariko Teramoto,Martin G Connors,Simon G Shepherd,Hiroyuki Nakata
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Properties of EMIC waves observed by Van Allen Probes and ground-based magnetometers during relativistic electron precipitation (2021)
  • Author(s): Asuka Hirai,Fuminori Tsuchiya,Takahiro Obara,Yasumasa Kasaba,Yuto Katoh,Hiroaki Misawa,Kazuo Shiokawa,Yoshizumi Miyoshi,Chae-Woo Jun,Satoshi Kurita,Martin G,Connors,Aaron Hendry
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Modulation of chorus intensity and UHR frequency in the off equatorial regions observed by the Arase satellite (2021)
  • Author(s): Yuri Ampuku,Fuminori Tsuchiya,Yasumasa Kasaba,Satoshi Kurita,Yoshiya Kasahara,Shoya Matsuda,Atsushi Kumamoto,Ayako Matsuoka
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Energetic electron precipitations showing ULF modulation of VLF-LF transmitter signals (2021)
  • Author(s): Hiroyo Ohya,Takuya Miyashita,Kentaro Tanaka,Fuminori Tsuchiya,Mitsunori Ozaki,Yoshizumi Miyoshi,Kazuo Shiokawa,Nozomu Nishitani,Tomoaki Hori,Martin Connors,Simon G. Shepher
  • Organizer: 3rd ISEE symposium PWING-ERG conference and school on the inner magnetosphere
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Energetic electron precipitations associated with pulsating aurora: statistical analysis of low altitude satellite and VLF subionospheric propagation (2021)
  • Author(s): F. Tsuchiya,A. Hirai,T. Obara,H. Misawa,S. Kurita,Y. Miyoshi,K. Shiokawa,M. Connors,M. Ozaki,Y. Kasahara,A. Kumamoto,Y. Kasaba,A. Matsuoka,M. Shoji,I. Shinohara
  • Organizer: 3rd ISEE symposium PWING-ERG conference and school on the inner magnetosphere
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ULF Modulation of Energetic Electron Precipitations Observed by VLF-LF Transmitter Signals (2020)
  • Author(s): Hiroyo Ohya,Takuya Miyashita,Fuminori Tsuchiya,Mitsunori Ozaki,Kazuo Shiokawa,Yoshizumi Miyoshi,Nozomu Nishitani,Tomoaki Hori,Mariko Teramoto,Martin G Connors,Simon G Shepherd
  • Organizer: AGU fall meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Relativistic electron precipitation associated with pulsating aurora observed by VLF radio propagation: A case study (2020)
  • Author(s): F.Tsuchiya,A.Hirai,T.Obara,H.Misawa,S.Kurita,Y.Miyoshi,K.Shiokawa,M.Connors,M.Ozaki,Y.Kasahara,A.Kumamoto,Y.Kasaba,A.Matsuoka,M.Shoji,I.Shinohara
  • Organizer: The 9th VERSIM workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Statistical Study of EMIC Wave-Related Electron Precipitation: Ground-Based Magnetometer and Subionospheric VLF-LF Radio Measurements (2020)
  • Author(s): A.Hirai,F.Tsuchiya,T.Obara,Y.Kasaba,Y.Katoh,H.Misawa,K.Shiokawa,Y.Miyoshi,S.Kurita,Martin Connors
  • Organizer: The 9th VERSIM workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Energetic Electron Precipitations Showing ULF Modulation of VLF-LF Standard Radio Waves (2020)
  • Author(s): Hiroyo Ohya,Takuya Miyashita,Fuminori Tsuchiya,Mitsunori Ozaki,Yoshizumi Miyoshi,Kazuo Shiokawa,Nozomu Nishitani,Martin Connors,Simon G. Shepherd
  • Organizer: The 9th VERSIM workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Energetic electron precipitation associated with pulsating aurora: Statistical analysis (2020)
  • Author(s): 土屋 史紀,平井 あすか,小原 隆博,三澤 浩昭,三好 由純,塩川 和夫,大矢 浩代,Connors Martin,笠原 禎也,熊本 篤志,小路 真史,篠原 育
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会第148回総会・講演会
• [Presentation] ULF modulation of energetic electron precipitations observed by using VLF-LF transmitter signals (2020)
  • Author(s): 大矢 浩代,宮下 拓也,土屋 史紀,尾崎 光紀,塩川 和夫,三好 由純,西谷 望,堀 智昭,寺本 万里子,Connors Martin,Shepherd Simon G
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会第148回総会・講演会
• [Presentation] VLF-LF帯標準電波を用いた高エネルギー降下電子の ULF変調 (2020)
  • Author(s): 大矢浩代,宮下拓也,土屋史紀,尾崎光紀,塩川和夫,三好由純,西谷望,堀智昭,寺本万里子,Martin Connors,Simon G. Shepherd
  • Organizer: 第13回ERGサイエンス会議 - 2020年度内部磁気圏研究集会
• [Presentation] Energetic electron precipitation associated with pulsating aurora: Statistical analysis of sub-ionospheric VLF radio propagation (2020)
  • Author(s): F. Tsuchiya,A. Hirai,Y. Miyoshi,K. Shiokawa,H. Ohya,M. Ozaki,Y. Kasahara,A. Kumamoto,M. Connors,T. Obara,H. Misawa,I. Shinohara
  • Organizer: 第13回ERGサイエンス会議 - 2020年度内部磁気圏研究集会
• [Presentation] Pi2 ULF modulation of energetic electron precipitations observed by using VLF-LF transmitter signals (2020)
  • Author(s): Hiroyo Ohya,Miyashita Takuya,Fuminori Tsuchiya,Asuka Hirai,Mitsunori Ozaki,Kazuo Shiokawa,Yoshizumi Miyoshi,Nozomu Nishitani,Tomoaki Hori,Mariko Teramoto,Martin G Connors,Simon G Shepherd,Yoshiya Kasahara,Atsushi Kumamoto,Masafumi Shoji,Iku Shinohara,Hiroyuki Nakata,Toshiaki Takano
  • Organizer: JPGU-AGU Joint meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Statistical study of EMIC waves and energetic electron precipitation: ground-based magnetometer and subionospheric VLF-LF radio measurements at subauroral latitude (2020)
  • Author(s): Asuka Hirai,Fuminori Tsuchiya,Takahiro Obara,Yasumasa Kasaba,Yuto Katoh,Hiroaki Misawa,Kazuo Shiokawa,Yoshizumi Miyoshi,Satoshi Kurita,Chae-Woo Jun,Martin G Connor
  • Organizer: JPGU-AGU Joint meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] OCTAVES : VLF/LF ionosphere observation network
  • URL: https://pparc.gp.tohoku.ac.jp/research/vlf/