Role of vertical coupling on the atmospheric escape from Mars

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15H03731
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 寺田 直樹 東北大学, 理学研究科, 准教授 (70470060)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 関 華奈子 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (20345854) ; 藤本 正樹 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, 教授 (30242811) ; 中川 広務 東北大学, 理学研究科, 助教 (30463772)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 磁気圏・電離圏 / 宇宙科学 / 超高層物理学 / 大気現象 / 惑星探査 / 大気重力波 / K-H不安定性

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、火星のCO2の流出機構の中でも特に不確定性が大きい「電離圏CO2+の流出機構」を解明することを目的とする。特に、太陽風からの運動量輸送などの上側からの領域間結合と、大気重力波に起因する乱流拡散や大規模風速場の変化などの下側からの領域間結合の影響が、電離圏CO2+の流出に果たす役割を明らかにすることを目指している。計画3年目である平成29年度には、下層大気起源の重力波が超高層大気に及ぼす影響を明らかにするために、MAVEN衛星のNGIMSやIUVSの観測データを解析し、火星中間圏及び熱圏における大気重力波振幅の高度分布・緯度分布・経度分布・季節変動の観測結果を纏めるとともに、火星熱圏・外圏DSMCコードを用いて大気重力波がCO2密度の高度分布に及ぼす影響を定量評価した。鉛直波長が長い（200km以上の）大気重力波の伝搬・散逸が熱圏密度分布に及ぼす影響は大きく、高度150km以上における密度増加は、二酸化炭素(CO2)で20-30%、窒素(N2)で10-15%、酸素原子(O)で5-8%程度になることを明らかにした。本結果は、下層大気から伝搬する大気重力波が、上部熱圏におけるCO2の存在度および流出率を増加しうることを示すものである。太陽風から電離圏への運動量輸送については、MAVEN衛星のプラズマ総合観測に基づき、太陽風相互作用によって生じるプラズマ境界層位置の統計的特性を纏めて学術論文として公表した。太陽風-火星電離圏相互作用の多成分磁気流体力学コードへの粘性効果の組み込みにおいては、Bohm型異常粘性項とプラズマ分子粘性項を用いて現象論的にコードに組み込み、各粘性項の大きさを変化させた計算を多数回実行してパラメータ依存性を纏め、太陽風からの運動量輸送が電離圏イオンの流速と流出率に及ぼす影響を定量的に評価した。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] コロラド大学ボルダー校(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: コロラド大学ボルダー校
• [Int'l Joint Research] マックスプランク太陽系研究所(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: マックスプランク太陽系研究所
• [Journal Article] Mesospheric CO2 ice clouds on Mars observed by Planetary Fourier Spectrometer onboard Mars Express (2018)
  • Author(s): Aoki S., Y. Sato, M. Giuranna, P. Wolkenberg, T. M. Sato, H. Nakagawa, and Y. Kasaba
  • Journal Title: Icarus Volume: 302 Pages: 175～190
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2017.10.047
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Sodium ion dynamics in the magnetospheric flanks of Mercury (2018)
  • Author(s): Aizawa, S., D. Delcourt, and N. Terada
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 45 Pages: 595～601
  • DOI: 10.1002/2017GL076586
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Statistical Study of Relations Between the Induced Magnetosphere, Ion Composition, and Pressure Balance Boundaries around Mars Based on MAVEN Observations (2017)
  • Author(s): Matsunaga, K., K. Seki, D. Brain, T. Hara, K. Masunaga, J. P. McFadden, J. Halekas, D. Mitchell, C. Mazelle, J. Esplay, J. Gruesbeck, and B. M. Jakosky
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research Space Physics Volume: 122 Pages: 9723～9737
  • DOI: 10.1002/2017JA024217
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] On the origins of magnetic flux ropes in near-Mars magnetotail current sheets (2017)
  • Author(s): Hara, T., Y. Harada, D. L. Mitchell, G. A. Dibraccio, J. Espley, D. A. Brain, J. S. Halekas, K. Seki, J. G. Luhmann, J. P. McFadden, C. Mazelle, B. M. Jakosky
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 44 Pages: 7653～7662
  • DOI: 10.1002/2017GL073754
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] MAVEN観測に基づく火星からの水・大気散逸研究の現状 (2018)
  • Author(s): 関 華奈子
  • Organizer: 第19回惑星圏研究会
  • Invited
• [Presentation] 地球型惑星の大気散逸レビュー（火星を中心に） (2018)
  • Author(s): 寺田 直樹
  • Organizer: 第19回惑星圏研究会
• [Presentation] 大気圏水圏結合大循環モデルによる初期火星の研究:水系形成に関する寒冷湿潤シナリオ (2018)
  • Author(s): 鎌田 有紘, 黒田 剛史, 笠羽 康正, 寺田 直樹, 中川 広務, 鳥海 克成
  • Organizer: 第19回惑星圏研究会
• [Presentation] 弱い固有磁場中における火星からの大気流出 (2018)
  • Author(s): 堺 正太朗, 関 華奈子, 寺田 直樹, 品川 裕之, 田中 高史, 海老原 祐輔
  • Organizer: 第19回惑星圏研究会
• [Presentation] MAVEN/IUVSによって観測された火星均質圏界面の季節変動と緯度分布 (2018)
  • Author(s): 吉田 奈央, 中川 広務, 寺田 直樹
  • Organizer: 第19回惑星圏研究会
• [Presentation] 火星大気小規模重力波が水・物質鉛直輸送に与える影響 (2018)
  • Author(s): 中川 広務, 寺田 直樹, 青木 翔平, 黒田 剛史, 笠羽 康正
  • Organizer: 第19回惑星圏研究会
• [Presentation] Atmospheric escape from terrestrial CO2-rich planets inside M-star habitable zones (2018)
  • Author(s): Terada N.
  • Organizer: DTA symposium VIII Challenge to Super-Earths and Their Atmospheres
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Solar energetic electron penetration into the Martian atmosphere observed by MAVEN (2017)
  • Author(s): Seki, K., T. Hara, D. A. Brain, R. J. Lillis, N. Terada, D. E. Larson, D. L. Mitchell, J. R. Espley, J. E. P. Connerney, J. G. Luhmann, N. M. Schneider, S. K. Jain, and B. M. Jakosky
  • Organizer: International Conference on Mars Aeronomy 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of a weak intrinsic magnetic field on the Martian plasma environments based on global multi-species MHD simulations (2017)
  • Author(s): Sakai, S., K. Seki, N. Terada, H. Shinagawa, and T. Tanaka
  • Organizer: International Conference on Mars Aeronomy 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] MAVEN/NGIMS observations and full-particle DSMC modeling of gravity waves in the Martian upper thermosphere (2017)
  • Author(s): Terada, N., K. Terada, H. Nakagawa, S. Maeda, F. Leblanc, A. S. Medvedev, E. Yigit, T. Kuroda, T. Hara, S. L. England, H. Fujiwara, K. Seki, P. R. Mahaffy, M. Elrod, M. Benna, J. Grebowsky, and B. M. Jakosky
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Global distribution of gravity waves activity in Mars' lower thermosphere derived from MAVEN/IUVS stellar occultations and analyzed using two Martian General Circulation Models (2017)
  • Author(s): Nakagawa, H., A. S. Medvedev, T. Kuroda, E. Yigit, N. Terada, K. Terada, H. Fujiwara, C. Mockel, P. Hartogh, K. Seki, H. Groller, R. V. Yelle, F. Montmessin, N. M. Schneider, J. I. Deighan, S. Jain, S. L. England, and B. M. Jakosky
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Solar energetic electron penetration into the Martian upper atmosphere observed by MAVEN (2017)
  • Author(s): Seki, K., T. Hara, D. A. Brain, R. J. Lillis, N. Terada, D. E. Larson, D. L. Mitchell, J. R. Espley, J. E. P. Connerney, J. G. Luhmann, N. M. Schneider, S. K. Jain, and B. M. Jakosky
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] DSMC simulations of internal gravity waves propagating and dissipating in the Martian upper thermosphere and exosphere (2017)
  • Author(s): Terada, K., N. Terada, A. S. Medvedev, E. Yigit, H. Nakagawa, K. Seki, T. Kuroda, H. Shinagawa, H. Fujiwara, and Y. Kasaba
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Variations of ion escape from the past to present at Mars (2017)
  • Author(s): Sakai, S., K. Seki, N. Terada, T. Tanaka, and H. Shinagawa
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Simulation of the early Martian climate using a general circulation model, DRAMATIC MGCM: Impacts of thermal inertia (2017)
  • Author(s): Kamada, A., T. Kuroda, Y. Kasaba, and N. Terada
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dense cold ion outflow observed in the Martian induced magnetotail by MAVEN (2017)
  • Author(s): Inui, S., T. Namekawa, K. Seki, S. Sakai, K. Matsunaga, D. A. Brain, J. P. McFadden, J. S. Halekas, D. L. Mitchell, J. E. P. Connerney, and B. M. Jakosky
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thermospheric Perturbations at Mars, Venus, and Earth: Solar Wind or Lower Atmosphere Forcing? (2017)
  • Author(s): Terada, N., K. Terada, H. Nakagawa, F. Leblanc, A. S. Medvedev, E. Yigit, T. Kuroda, T. Hara, S. L. England, H. Fujiwara, K. Seki, P. R. Mahaffy, M. Elrod, M. Benna, J. Grebowsky, and B. M. Jakosky
  • Organizer: Asia Oceania Geosciences Society (AOGS) 14th Annual Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 惑星大気・プラズマシミュレーション (2017)
  • Author(s): 寺田 直樹
  • Organizer: STEシミュレーション研究会 -太陽地球惑星系複合システムのシミュレーション研究-
  • Invited
• [Presentation] Simulation of the early Martian climate using a general circulation model, DRAMATIC MGCM: Impacts of thermal inertia (2017)
  • Author(s): Kamada, A., T. Kuroda, Y. Kasaba, N. Terada, and T. Akiba
  • Organizer: European Planetary Science Congress 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 古海洋・厚いCO2大気環境のもとでの火星古気候シミュレーション-水環境の気候に及ぼす影響 (2017)
  • Author(s): 鎌田 有紘, 黒田 剛史, 笠羽 康正, 寺田 直樹
  • Organizer: 日本惑星科学会2017年秋季講演会
• [Presentation] Ion escape processes of Mars with a weak intrinsic magnetic field (2017)
  • Author(s): Sakai, S., K. Seki, N. Terada, H. Shinagawa, T. Tanaka, and Y. Ebihara
  • Organizer: Fourth International Conference on Early Mars
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Gravity waves in the Martian exosphere (2017)
  • Author(s): Terada, N., K. Terada, H. Nakagawa, F. Leblanc, A. S. Medvedev, E. Yigit, T. Kuroda, H. Fujiwara, and K. Seki
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会第142回総会および講演会
• [Presentation] 火星下部熱圏における大気重力波の季節変動 (2017)
  • Author(s): Nakagawa, H., A. S. Medvedev, T. Kuroda, E. Yigit, N. Terada, K. Terada, H. Fujiwara, K. Seki, P. Hartogh, H. Groller, R. V. Yelle, F. Montmessin, N. M. Schneider, J. I. Deighan, S. Jain, S. L. England, and B. M. Jakosky
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会第142回総会および講演会
• [Presentation] 弱い固有磁場中における火星からのイオン流出機構 (2017)
  • Author(s): 堺 正太朗, 関 華奈子, 寺田 直樹, 品川 裕之, 田中 高史, 海老原 祐輔
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会第142回総会および講演会
• [Presentation] 古海洋・厚いCO2大気環境のもとでの火星古気候シミュレーション-水環境の気候に及ぼす影響 (2017)
  • Author(s): 鎌田 有紘, 黒田 剛史, 笠羽 康正, 寺田 直樹, 秋葉 丈彦
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会第142回総会および講演会
• [Presentation] MAVEN観測に基づく太陽風電場と地殻磁場が火星からの重イオン流出に与える影響の統計的研究 (2017)
  • Author(s): Inui, S., K. Seki, S. Sakai, K. Matsunaga, D. A. Brain, J. P. McFadden, T. Hara, J. S. Halekas, D. L. Mitchell, J. E. P. Connerney, and B. M. Jakosky
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会第142回総会および講演会
• [Presentation] Ion escape from the Martian upper atmosphere with a weak intrinsic magnetic field (2017)
  • Author(s): Sakai, S., K. Seki, N. Terada, H. Shinagawa, T. Tanaka, and Y. Ebihara
  • Organizer: American Geophysical Union 2017 Fall Meeting
  • Int'l Joint Research