脈動オーロラに関する波動－粒子相互作用と電流構造の解明

• Project/Area Number: 20J11829
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 17010:Space and planetary sciences-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 吹澤 瑞貴 東北大学, 理学研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2020-04-24 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥1,800,000 (Direct Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2021: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2020: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
• Keywords: 脈動オーロラ / 電離圏 / コンピュータトモグラフィ / 磁気圏-電離圏結合 / 波動-粒子相互作用 / 磁気圏 / ピッチ角散乱

Outline of Research at the Start

本研究では、脈を打つように点滅する脈動オーロラを研究対象とする。脈動オーロラは地球磁気圏で励起されるプラズマ波動と地球磁場に捕捉された電子との相互作用により電子が地球大気中に降り込むことで発生することがわかっており、駆動源となるプラズマ波動として主にコーラス波とECH波が考えられている。それぞれの波動は励起源や電子の共鳴エネルギーが異なるため、それぞれが駆動する脈動オーロラに差異が存在することが期待される。そこで本研究では駆動源となるプラズマ波動との関係、降下電子のエネルギー・空間分布、磁気圏との結合過程を衛星観測、地上光学・非干渉散乱レーダー観測、逆問題解析手法を用いることで明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

当該年度の研究では、逆問題解析手法 Aurora Computed Tomography (ACT) を用いて、多点オーロラ画像から、降下電子の2次元分布と脈動オーロラ発光強度3次元分布の復元を行った。ACT法は、ベイズモデルに基づき、観測データが得られたときに降下電子フラックスが得られる事後確率を最大化することでオーロラ画像から降下電子フラックスを再構成する。従来から提案されていた手法では、この事後確率を最大化するための最小化関数が、観測画像と擬似画像の残差自乗和の項と降下電子フラックスのエネルギー・空間方向の2階微分の項の和で表されていた。本研究では、各項の重みとして新たなパラメータを追加した。また、3台のカメラの相対感度を補正するパラメータも追加した。そして、それらのパラメータを交差検証法により推定した。また、ACT法を行う前に、背景で発光している一様なオーロラ発光を差し引くことで、画像の信号対雑音比を向上させた。その結果、地上３地点で観測された単一波長 (427.8 nm) のオーロラ画像から降下電子フラックスの全エネルギーと特性エネルギーの水平分布の再構成に成功した。そして、モデルオーロラや電離圏電子密度の観測データを用いた検証の結果、十分な精度で再構成が行われていることが確認された。
本研究により、衛星やロケットでは直接観測することが困難な脈動オーロラ中の降下電子の２次元分布やオーロラ発光強度の３次元分布を、地上多地点に設置されたカメラにより取得された観測画像から十分な精度で再構成することができることが確かめられた。今後は、2023年から観測を開始するEISCAT_3Dレーダーによって取得された電離圏3次元観測データと組み合わせて、脈動オーロラに関する電流3次元構造を再構成し、磁気圏-電離圏結合過程の理解に貢献することが期待される。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Statistical Study of Electron Density Enhancements in the Ionospheric F Region Associated With Pulsating Auroras (2021)
  • Author(s): M. Fukizawa, T. Sakanoi, Y. Ogawa, T. T. Tsuda, K. Hosokawa
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 126 Issue: 12
  • DOI: 10.1029/2021ja029601
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Statistical study of approaching strong diffusion of low-energy electrons by chorus and ECH waves based on in situ observations (2021)
  • Author(s): 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
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 127 Issue: 3 Pages: 1-12
  • DOI: 10.1029/2022ja030269
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Pitch‐Angle Scattering of Inner Magnetospheric Electrons Caused by ECH Waves Obtained With the Arase Satellite (2020)
  • Author(s): Fukizawa M., Sakanoi T., Miyoshi Y., Kazama Y., Katoh Y., Kasahara Y., Matsuda S., Matsuoka A., Kurita S., Shoji M., Teramoto M., Imajo S., Sinohara I., Wang S.‐Y., Tam S. W.‐Y., Chang T.‐F., Wang B.‐J., Jun C.‐W.
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 47 Issue: 23 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1029/2020gl089926
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Reconstruction of the three-dimensional structure and precipitating electrons of pulsating auroral patches by Aurora Computed Tomography (2021)
  • Author(s): 吹澤 瑞貴、坂野井 健、田中 良昌、小川 泰信、Gustavsson Bjorn、Kauristie Kirsti、Enell Carl-Fredrik、Kozlovsky Alexander、Raita Tero、Brandstrom Urban、Sergienko Tima
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2021
• [Presentation] Reconstruction of the three-dimensional structure and precipitating electrons of pulsating auroras by Aurora Computed Tomography (2021)
  • Author(s): 吹澤 瑞貴、坂野井 健、田中 良昌、小川 泰信、Gustavsson Bjorn、Kauristie Kirsti、Enell Carl-Fredrik、Kozlovsky Alexander、Raita Tero、Brandstrom Urban、Sergienko Tima
  • Organizer: 第150回地球電磁気・地球惑星圏学会総会・講演会
• [Presentation] Pitch Angle Scattering by Electrostatic Electron Cyclotron Harmonic Waves Based on Arase Observations (2021)
  • Author(s): M. Fukizawa, T. Sakanoi, Y. Miyoshi, Y. Kazama, Y. Kasahara, S. Matsuda, A. Matsuoka, S-Y. Wang, S. W-Y. Tam
  • Organizer: URSI GASS 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Reconstruction of the three-dimensional structure and precipitating electrons of pulsating auroras by Aurora Computed Tomography (2021)
  • Author(s): Mizuki Fukizawa, Takeshi Sakanoi, Yoshimasa Tanaka, Yasunobu Ogawa, Bjorn Gustavsson, Kirsti Kauristie, Carl-Fredrik Enell, Alexander Kozlovsky, Tero Raita, Urban Brandstrom, Tima Sergienko
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pitch Angle Scattering by Electrostatic Electron Cyclotron Harmonic Waves Based on Arase Observations (2020)
  • Author(s): M. Fukizawa, T. Sakanoi, Y. Miyoshi, Y. Kazama, Y. Kasahara, S. Matsuda, A. Matsuoka, S-Y. Wang, S. W-Y. Tam
  • Organizer: VERSIM 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Relationship between ECH waves, ionospheric F-region ionization and pulsating aurora based on ground-based optical, EISCAT and Arase satellite observations (2020)
  • Author(s): Mizuki Fukizawa, Takeshi Sakanoi, Yasunobu Ogawa, Keisuke Hosokawa, Yoshiya Kasahara, Shoya Matsuda, Ayako Matsuoka
  • Organizer: JpGU 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 全天カメラとEISCATレーダー観測による脈動オーロラ中の電子密度高度分布の統計解析とトモグラフィ解析による脈動オーロラ発光強度3次元分布の再構成 (2020)
  • Author(s): 吹澤瑞貴, 坂野井健, 田中良昌, 小川泰信, Bjorn Gustavsson, Kirsti Kauristie, Carl-Fredrik Enell, Alexander Kozlovsky, Tero Raita, Urban Brandstrom, Tima Sergienko
  • Organizer: SGEPSS 2020