Effects of dust storm and atmospheric waves on Martian atmospheric escape

• Project/Area Number: 21K20387
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: 0204:Astronomy, earth and planetary science, and related fields
• Research Institution: Japan Aerospace EXploration Agency
• Principal Investigator: 益永 圭 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 宇宙航空プロジェクト研究員 (60909521)
• Project Period (FY): 2021-08-30 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 火星 / 電離圏 / 外気圏 / 大気波動 / ダストストーム / MAVEN / ひさき / 超高層大気 / 大気流出

Outline of Research at the Start

火星からの大気流出機構を理解するためには、太陽風の影響だけでなく、下層大気からの影響を調べることも必須である。本研究は宇宙望遠鏡や複数の火星探査機の観測データを用い、ダストストームや大気波動が火星超高層大気成分の総量、分布、流出量へ及ぼす影響を調べ、ダストストーム及び大気波動が火星の大気流出へ果たす役割を解明する。

Outline of Annual Research Achievements

今年度は、火星地上でダストストーム及び大気波動の発生が確認された2016年9月の電離圏の応答に着目した。特に、ひさき衛星によって観測された火星熱圏の水素原子及び酸素原子の特徴的周期変動が火星電離圏に及ぼす影響を調べるため、同時期に火星探査機MAVENによって観測されたイオン質量分析器のデータ解析を進めた。その結果、電離圏中のH+、O+、O2+、CO2+イオン密度がさまざまな周期（1日~20日）をもって変動することが明らかになった。特に、ひさき衛星によって観測された熱圏大気の周期と一致する周期がイオンの密度変動にも観測された。これは火星熱圏中の原子・分子が周期的な化学反応によって生成・消失する効果が電離圏プラズマの生成・消失にも影響が及んでいることを示唆している。本研究内容は論文としてまとめ国際誌に投稿し、出版された。
本研究計画を通じて、火星のダストストーム期間中に地上で発生する大気波動の影響を受け、火星熱圏中の水素原子や酸素原子の総量が周期的かつ交互に増減する現象を発見した。この影響は電離圏のイオン密度にも影響を及ぼすことも明らかになり、結果、流出するイオンのフラックスにも影響を及ぼすと考えられる。なお、本研究計画ではダストストームや大気波動が発生している１期間（2016年9月）のデータ解析にとどまってしまったため、今後は観測期間を広げ、この周期変動が火星において一般的に起こっている現象なのかを調べる点が課題となる。これにより、火星のダストストームや大気波動が火星の大気流出へ果たす役割の理解が進むと考えられる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of California Berkeley/West Virginia University/University of Colorado Boulder(米国)
• [Journal Article] On the Periodic Variation of the Ion Density in the Martian Dayside Ionosphere During the Regional Dust Storm in September 2016 (2024)
  • Author(s): Hara Takuya、Masunaga Kei、Terada Naoki、Sakai Shotaro、Osanai Taiga、Seki Kanako、Fowler Christopher M.、Hanley Kathleen Gwen、McFadden James P.、Curry Shannon M.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 129 Issue: 4
  • DOI: 10.1029/2023ja031848
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Alternate oscillations of Martian hydrogen and oxygen upper atmospheres during a major dust storm (2022)
  • Author(s): Kei Masunaga, Naoki Terada, Nao Yoshida, Yuki Nakamura, Takeshi Kuroda, Kazuo Yoshioka, Yudai Suzuki, Hiromu Nakagawa, Tomoki Kimura, Fuminori Tsuchiya, Go Murakami, Atsushi Yamazaki, Tomohiro Usui, and Ichiro Yoshikawa
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 6609-6609
  • DOI: 10.1038/s41467-022-34224-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] BepiColombo mission confirms stagnation region of Venus and reveals its large extend (2022)
  • Author(s): M. Persson, et al. (incl. K. Masunaga)
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 7743-7743
  • DOI: 10.1038/s41467-022-35061-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Reflectivity of Venus’ dayside disk during the 2020 observation campaign: outcomes and future perspectives (2022)
  • Author(s): Y. J. Lee, A. Garca Muoz, A. Yamazaki, E. Qumerais, S. Mottola, S. Hellmich, T. Granzer, G. Bergond, M. Roth, E. Gallego-Cano, J.-Y. Chaufray, R. Robidel, G. Murakami, K. Masunaga, and et al.
  • Journal Title: The Planetary Science Journal Volume: 3 Issue: 9 Pages: 209-209
  • DOI: 10.3847/psj/ac84d1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] In situ observations of solar-flare-induced proton cyclotron waves upstream from Mars (2022)
  • Author(s): Lin, H., J. Guo, K. Masunaga, K. Seki, C. Mazelle, D. Zhao, H. Huang, J. Zhao, and L. Liu
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 934 Issue: 2 Pages: 183-183
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac7d4f
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Seasonal and Dust‐Related Variations in the Dayside Thermospheric and Ionospheric Compositions of Mars Observed by MAVEN/NGIMS (2021)
  • Author(s): Yoshida Nao、Terada Naoki、Nakagawa Hiromu、Brain David A.、Sakai Shotaro、Nakamura Yuki、Benna Mehdi、Masunaga Kei
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Planets Volume: 126 Issue: 11
  • DOI: 10.1029/2021je006926
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Hisaki space telescope observations of the large oscillations of Martian hydrogen and oxygen upper atmospheres (2023)
  • Author(s): K. Masunaga, N. Terada, N. Yoshida, Y. Nakamura, T. Kuroda, K. Yoshioka, Y. Suzuki, H. Nakagawa, T. Kimura, F. Tsuchiya, G. Murakami, A. Yamazaki, T. Usui, and I. Yoshikawa
  • Organizer: EGU General Assembly 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] On the periodic variation of the ion density in the Martian dayside ionosphere during the regional dust storm (2023)
  • Author(s): T. Hara, K. Masunaga, N. Terada, S. Sakai, T. Osanai, K. Seki, C. M. Fowler, K. G. Hanley, J. P. McFadden, and S. M. Curry
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] LAPYUTAによる地球型惑星上層大気観測の科学検討 (2023)
  • Author(s): 益永圭、堺正太朗、青木翔平、土屋史紀、村上豪、山崎敦、木村智樹、鍵谷将人、古賀亮一
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2023年大会
• [Presentation] 惑星科学、生命圏科学、および天文学に向けた紫外線宇宙望遠鏡(LAPYUTA)計画と系外惑星観測 (2023)
  • Author(s): 土屋史紀、村上豪、山崎敦、亀田真吾、中山陽史、生駒大洋、桑原正輝、成田 憲保、小玉 貴則、寺田直樹、鳥海森、野津湧太、行方宏介、木村智樹、垰千尋、古賀亮一、木村淳、大内正己、田中雅臣、益永圭、堺正太朗、吉岡和夫、鍵谷将人、塩谷圭吾
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2023年大会
• [Presentation] Mars's atmospheric escape and its interaction with Martian moons (2023)
  • Author(s): Kei Masunaga
  • Organizer: The 82nd Fujihara Seminar
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Hisaki space telescope observations of the large oscillations of Martian hydrogen and oxygen upper atmospheres (2023)
  • Author(s): K. Masunaga, N. Terada, N. Yoshida, Y. Nakamura, T. Kuroda, H. Nakagawa, K. Yoshioka, Y. Suzuki, T. Kimura, F. Tsuchiya, G. Murakami, A. Yamazaki, T. Usui, and I. Yoshikawa
  • Organizer: EGU General Assembly 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] MAVEN/STATICの観測に基づくダストストーム期間の火星超高層イオン密度変動の研究 (2022)
  • Author(s): 長内大河、益永圭、寺田直樹、堺正太朗、吉田奈央、原拓也
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [Presentation] MAVEN/STATICの観測に基づくダストストーム期間の火星電離圏イオン密度の周期変動の研究 (2022)
  • Author(s): 長内大河、益永圭、原拓也、寺田直樹、堺正太朗、吉田奈央
  • Organizer: 第152回地球電磁気・地球惑星圏学会
• [Presentation] MAVEN/STATICの観測に基づくダストストーム期間の火星超高層イオン密度変動の研究 (2022)
  • Author(s): 長内 大河、益永 圭、堺 正太朗、吉田 奈央、寺田 直樹、原 拓也
  • Organizer: 第23回 惑星圏研究会
• [Presentation] Alternate oscillations of Martian hydrogen and oxygen upper atmospheres during a major dust storm: Hisaki space telescope observations (2022)
  • Author(s): Kei Masunaga
  • Organizer: MAVEN PSG meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 火星ダストストーム発達中における水素および酸素大気光の周期変動 (2021)
  • Author(s): 益永 圭、寺田 直樹、吉田 奈央、黒田 剛史、吉岡 和夫、木村 智樹、土屋 史紀、村上 豪、山崎 敦、吉川 一朗
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会
• [Remarks] 「ひさき」衛星が観た砂嵐による火星上層大気の変化 ー火星生命環境への示唆―
  • URL: https://www.isas.jaxa.jp/topics/003307.html