あらせ衛星観測とシミュレーションによる放射線帯電子の非線形加速・散乱過程の理解
Project/Area Number |
20H01959
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Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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Allocation Type | Single-year Grants |
Section | 一般 |
Review Section |
Basic Section 17010:Space and planetary sciences-related
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Research Institution | Nagoya University |
Principal Investigator |
三好 由純 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 教授 (10377781)
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Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松田 昇也 金沢大学, 電子情報通信学系, 准教授 (20772213)
加藤 雄人 東北大学, 理学研究科, 教授 (60378982)
齊藤 慎司 国立研究開発法人情報通信研究機構, 電磁波研究所電磁波伝搬研究センター, 研究員 (60528165)
栗田 怜 京都大学, 生存圏研究所, 准教授 (90785495)
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Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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Budget Amount *help |
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2020: ¥13,130,000 (Direct Cost: ¥10,100,000、Indirect Cost: ¥3,030,000)
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Keywords | 放射線帯 / プラズマ波動 / 相対論的電子 / シミュレーション / 数値シミュレーション / あらせ衛星 / 波動粒子相互作用 |
Outline of Research at the Start |
地球の周りの宇宙空間には、放射線帯と呼ばれる高エネルギー粒子群が存在し、太陽風の変化に応じてそのフラックスは大きく変化している。この変動過程には、プラズマ波動が介在していることが指摘されているが、近年、特に非線形の波動粒子相互作用過程の役割の重要性が指摘されている。本研究では、放射線帯全域に関するグローバルなシミュレーションと、ミクロスケールでの波動励起や粒子散乱に関する非線形波動粒子相互作用シミュレーションとを連成させ、「あらせ」衛星観測との比較を進めることによって、非線形の波動粒子相互作用が果たす役割について検証を行っていく。
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Outline of Annual Research Achievements |
地球周辺の高度1,000 kmから40,000 km付近の宇宙空間には、放射線帯(ヴァン・アレン帯)と呼ばれる高いエネルギーを持つ荷電粒子群が存在する。放射線帯に存在する電子群は、太陽からのプラズマ流(太陽風)の変化に応じて、その数が大きく増減する。「あらせ」衛星などによる新しい観測によって、非線形のプラズマ波動が電子の散乱や加速を引き起こし、放射線帯の電子の数が変化している様子が観測されてきた。しかし、衛星の観測データは衛星周辺の様子のみを計測するため、プラズマ波動が放射線帯の電子群全体に及ぼす影響はわかっていない。本研究では、特に低周波数コーラス(LBC)による非線形波動粒子相互作用のシミュレーションを行い、LBCがphase trappingと呼ばれる過程を通して、相対論的なエネルギーを持つ放射線帯電子のバタフライ分布の形成を引き起こすことを示し、学術誌で報告を行った(Saito and Miyoshi, 2022, Geophys. Res. Lett.)。また、非線形波動粒子相互作用によって、降下電子の散乱量が大きく抑制され、オーロラの発光が低減する可能性があることを指摘した。さらに、統計的散乱過程を確率微分方程式にもとづいて定式化し、テスト粒子計算に組み込むことで、一つのシミュレーションにおいて、非線形過程と準線形過程の両方を解き進めることができるコードの開発にも成功した。そのほか、「あらせ」衛星データ解析にもとづく波動粒子相互作用の研究を推進し、コーラス波動や電磁イオンサイクロトロン波動との非線形波動粒子相互作用の研究も推進した。一連の結果は、国内外の学会で報告するとともに、複数の学術誌において報告を行った。
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
これまで、非線形波動粒子相互作用のシミュレーションを推進し、波動粒子相互作用に伴う電子の速度空間の変調過程の理解が大きく進んだ。特に、「あらせ」衛星の観測によって示されていたUpper Band Chorusが数十 keVの電子を短時間で加速する現象について、「あらせ」衛星のデータを初期条件として計算を行い、観測された数十 keV電子の加速とバタフライ分布と呼ばれる特徴的なピッチ角分布の形成を再現した。また、シミュレーション結果の詳しい分析から、Upper band chorus波動と電子との共鳴相互作用の際に、phase trappingと呼ばれる非線形波動粒子相互作用が発生し、電子のピッチ角とエネルギーが急激に増加することが明らかになった。このシミュレーションの結果をさらに発展させ、Lower band chorusと電子との非線形波動粒子相互作用によって、phase trappingが発生し、相対論的電子の加速とバタフライ分布の形成が起こることも予見した。これらの成果は学術論文に報告されており、当初の計画の想定を上回る成果であると判定している。
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Strategy for Future Research Activity |
非線形波動粒子相互作用が起こる場所を特定するためのアセスメント方法の開発を継続する。特にthrehold amplitude、およびoptimum amplitudeと呼ばれる非線形波動の励起、成長に関わる量を、グローバルモデルが計算した電子速度分布関数のモーメント計算と、背景のプラズマ密度、磁場強度から算出し、典型的なホイッスラーモード波動の強度を考慮した際に、非線形のトリガー波の励起が起こる場所を抽出する。抽出された場所に対して、非線形波動粒子相互作用のシミュレーションを行い、アセスメント結果が予見するような非線形コーラス波動の励起と成長が起こるかどうかを明らかにする。先行研究からは、非線形コーラス波動の励起は、速度分布関数の温度異方性、ならびに高温プラズマ密度と背景プラズマ密度の比に依存することが指摘されているが、グローバルモデルの計算にもとづくアセスメントの際には、特にこれらのパラメータに対する依存性に注目sいながら検討を行っていく。
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Report
(2 results)
Research Products
(50 results)
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[Journal Article] Whistler‐Mode Transmission Experiments in the Radiation Belts: DSX TNT Circuit Simulation and Data Analysis2023
Author(s)
Tu Jiannan, Song Paul, Galkin Ivan A., Reinisch Bodo W., Johnston William R., Starks Michael J., Su Yi‐Jiun, Cooke David, Ginet Gregory P., Inan Umran S., Lauben David S., Miyoshi Yoshizumi, Matsuda Shoya, Kasahara Yoshiya, Kojima Hirotsugu, Shinohara Iku
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Journal Title
Journal of Geophysical Research: Space Physics
Volume: 128
Issue: 4
DOI
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[Journal Article] Collaborative Research Activities of the Arase and Van Allen Probes2022
Author(s)
Miyoshi Y.、Shinohara I.、Ukhorskiy S.、Claudepierre S. G.、Mitani T.、Takashima T.、Hori T.、Santolik O.、Kolmasova I.、Matsuda S.、Kasahara Y.、Teramoto M.、Katoh Y.、Hikishima M.、Kojima H.、Kurita S.、Imajo S.、Higashio N.、Kasahara S.、Yokota S.、Asamura K.、Kazama Y.、Wang S.-Y.、Jun C.-W.、Kasaba Y.、et al.
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Journal Title
Space Science Reviews
Volume: 218
Issue: 5
Pages: 38-38
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Shumko, M., B. Gallardo-Lacourt, A. J. Halford, L. W. Blum, J. Liang, Y. Miyoshi, K. Hosokawa, E. Donovan, I. R. Mann, K. Murphy et al.
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Journal Title
Front. Astron. Space Sci.
Volume: 15
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[Journal Article] Distribution of ULF wave power in magnetic latitude and local time using THEMIS and Arase measurements2022
Author(s)
Sarris, T. E., X. Li, H. Zhao, K. Papadakis, W. Liu, W. Tu, V. Angelopoulos, K.-H. Glassmeier, Y. Miyoshi, A. Matsuoka, I. Shinohara, and S. Imajo
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Journal Title
J. Geophys. Res.
Volume: 127
Issue: 10
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[Journal Article] Flux enhancements of field-aligned low-energy O+ ion (FALEO) in the inner magnetosphere: A possible source of warm plasma cloak and oxygen torus2022
Author(s)
Nose, M., A. Matsuoka, Y. Miyoshi, K. Asamura, T. Hori, M. Teramoto, I. Shinohara, M. Hirahara, C. A. Kletzing, C. W. Smith, R. J. MacDowall, H. E. Spence, G. D. Reeves, and J. W. Gjerloev
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Journal of Geophysical Research
Volume: 127
Issue: 3
Pages: 1-19
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[Journal Article] Statistical study of approaching strong diffusion of low-energy electrons by chorus and ECH waves based on in situ observations2021
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M. Fukizawa, T. Sakanoi, Y. Miyoshi, Y. Kazama, Y. Katoh, Y. Kasahara, S. Matsuda, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, A. Matsuoka, S. Kurita, S. Nakamura, M. Shoji, M. Teramoto, S. Imajo, I. Shinohara, S.-Y. Wang, S. W.-Y. Tam, T.-F. Chang, B.-J. Wang, C.-W. Jun
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Journal of Geophysical Research: Space Physics
Volume: 127
Issue: 3
Pages: 1-12
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[Journal Article] Penetration of MeV electrons into the mesosphere accompanying pulsating aurorae2021
Author(s)
Miyoshi Y.、Hosokawa K.、Kurita S.、Oyama S.-I.、Ogawa Y.、Saito S.、Shinohara I.、Kero A.、Turunen E.、Verronen P. T.、Kasahara S.、Yokota S.、Mitani T.、Takashima T.、Higashio N.、Kasahara Y.、Matsuda S.、Tsuchiya F.、Kumamoto A.、Matsuoka A.、Hori T.、Keika K.、Shoji M.、Teramoto M.、Imajo S.、Jun C.、Nakamura S.
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Journal Title
Scientific Reports
Volume: 11
Issue: 1
Pages: 13724-13724
DOI
NAID
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[Journal Article] Cross-Energy Couplings from Magnetosonic Waves to Electromagnetic Ion Cyclotron Waves through Cold Ion Heating inside the Plasmasphere2021
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Asamura Kazushi, Shoji Masafumi, Miyoshi Yoshizumi, Kasahara Yoshiya, Kasaba Yasumasa, Kumamoto Atsushi, Tsuchiya Fuminori, Matsuda Shoya, Matsuoka Ayako, Teramoto Mariko, Kazama Yoichi, Shinohara Iku
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Journal Title
Physical Review Letters
Volume: 127
Issue: 24
Pages: 245101-245101
DOI
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Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Role of Ducting in Relativistic Electron Loss by Whistler‐Mode Wave Scattering2021
Author(s)
Artemyev A. V.、Demekhov A. G.、Zhang X.‐J.、Angelopoulos V.、Mourenas D.、Fedorenko Yu V.、Maninnen J.、Tsai E.、Wilkins C.、Kasahara S.、Miyoshi Y.、Matsuoka A.、Kasahara Y.、Mitani T.、Yokota S.、Keika K.、Hori T.、Matsuda S.、Nakamura S.、Kitahara M.、Takashima T.、Shinohara I.
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Journal Title
Journal of Geophysical Research: Space Physics
Volume: 126
Issue: 11
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Y. Kazama, Y. Miyoshi, H. Kojima, Y. Kasahara, S. Kasahara, H. Usui, B.‐J. Wang, S.‐Y. Wang, S. W. Y. Tam, T. F. Chang, K. Asamura, S. Matsuda, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, Y. Kasaba, M. Shoji, A. Matsuoka, M. Teramoto, T. Takashima, I. Shinohara
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Journal Title
Geophysical Research Letters
Volume: 48(14)
Issue: 14
Pages: 1-10
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Saito S., Kurita S., Miyoshi Y., Kasahara S., Yokota S., Keika K., Hori T., Kasahara Y., Matsuda S., Shoji M., Nakamura S., Matsuoka A., Imajo S., Shinohara I.
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Journal Title
Journal of Geophysical Research: Space Physics
Volume: 126
Issue: 4
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Kazama Y., Kojima H., Miyoshi Y., Kasahara Y., Kasahara S., Usui H., Wang B.‐J., Wang S.‐Y., Tam S. W. Y., Chang T.‐F., Asamura K., Kasaba Y., Matsuda S., Shoji M., Matsuoka A., Teramoto M., Takashima T., Shinohara I.
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Journal Title
Geophysical Research Letters
Volume: 48
Issue: 5
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Journal of Geophysical Research: Space Physics
Volume: 126
Issue: 2
Pages: 1-14
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Colpitts Chris, Miyoshi Yoshizumi, Kasahara Yoshiya, Delzanno Gian Luca, Wygant John R., Cattell Cynthia A., Breneman Aaron, Kletzing Craig, Cunningham Greg, Hikishima Mitsuru, Matsuda Shoya, Katoh Yuto, Ripoll Jean‐Francois, Shinohara Iku, Matsuoka Ayako
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Volume: 125
Issue: 10
Pages: 1-14
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Kataoka Ryuho, Asaoka Yoichi, Torii Shoji, Nakahira Satoshi, Ueno Haruka, Miyake Shoko, Miyoshi Yoshizumi, Kurita Satoshi, Shoji Masafumi, Kasahara Yoshiya, Ozaki Mitsunori, Matsuda Shoya, Matsuoka Ayako、Kasaba Yasumasa, Shinohara Iku, Hosokawa Keisuke, Uchida Herbert Akihito, Murase Kiyoka, Tanaka Yoshimasa
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Volume: 125
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