衛星多点観測と計算機シミュレーションによる内部磁気圏のイオン組成変化要因の探究

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H04057
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 能勢 正仁 京都大学, 理学研究科, 助教 (90333559)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 尾花 由紀 大阪電気通信大学, 工学部, 准教授 (50398096) ; 横田 勝一郎 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, 助教 (40435798) ; 桂華 邦裕 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (10719454) ; 笠原 慧 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (00550500) ; 寺本 万里子 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 特任助教 (10614331)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 内部磁気圏 / イオン組成 / 磁気嵐 / 長周期地磁気脈動 / ドリフトバウンス共鳴 / 酸素イオントーラス / 波動粒子相互作用 / イオン加速

Outline of Annual Research Achievements

2016年12月に日本が打ち上げた「あらせ衛星」の磁場と高エネルギー粒子データを用いた解析を行った。2017年3月27日には大振幅のPc5地磁気脈動が現れており、同時に酸素イオンのフラックスも同じ周期で振動していたことが分かった。あらせ衛星のすぐそばには米国のMMS衛星が飛翔していたため、両衛星の磁場データを同時解析したところ、経度方向の波数が-15という結果が得られた。この波数とフラックス振動が生じている酸素イオンのエネルギーは、ドリフトバウンス共鳴理論から予測されるものと一致した。また、2017年4月15日に観測されたPg脈動と水素イオンフラックスの変動についても解析を行った。地上の複数観測点でも観測されたPg脈動の位相差から、経度方向の波数は-50という値を得た。上記と同様に波数・振動フラックスエネルギーは、ドリフトバウンス共鳴理論の予測値と一致した。高エネルギー粒子の旋回半径を利用して、一か所の観測点から動径方向のフラックス濃淡を調査する方法を考案し、その結果から、Pg脈動は動径方向のフラックス濃淡により励起されていることを結論付けた。
酸素イオントーラスについては、あらせ衛星とVan Allen Probes衛星の2か所の観測データを利用して、その経度方向の構造を調査した。2017年4月24日に、あらせ衛星が朝側、Van Allen Probes衛星が夕方に位置しており、それぞれの場所での平均プラズマ質量密度を推定することができた。あらせ衛星では3.0-3.5 amuになるような質量密度の局所的な増大が見られた。これは約15%の酸素イオンが含まれていることを示唆する。一方、Van Allen Probes衛星では、明確な平均プラズマ質量密度の局所的な増大は見られなかった。このことから、酸素イオントーラスは、朝側に偏って存在していたと考えられる。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

イオンとULF波動のドリフトバウンス共鳴については、平成28年度より解析を行っていたVan Allen Probes衛星の観測による2014年3月2日イベントに対し、更なる調査と考察を進めた。ドリフトバウンス共鳴がリングカレントのエネルギー増減に少なからぬ影響を及ぼす可能性についてはこれまでに議論されてきたが、データに基づいた実証はなされてこなかった。今回のイベントの解析は、世界で初めて衛星データと地上データを用いて、観測的にこの影響を明らかにした点で大きな成果と考えている。この成果は、国際的に権威の高いJ. Geophys. Res.誌で発表を行った。
あらせ衛星を用いた2017年3月27日・2017年4月15日のイベント解析の結果についても、日本が打ち上げた人工衛星の研究成果として、Geophys. Res. Lett.誌にそれぞれ、投稿中・投稿準備中の状況である。
酸素イオントーラスの経度方向の構造は、その直接観測の難しさから、ほとんど分かってこなかった。今回の解析は、内部磁気圏を飛翔し、その間接的観測を可能にする観測機器を搭載した人工衛星が複数機存在することに注目したものであり、世界で初めてその経度方向の構造を推定したものである。

Strategy for Future Research Activity

ドリフトバウンス共鳴に関しては、現在、Geophys. Res. Lett.誌に投稿中・投稿準備中の2つの研究成果を最終的に掲載済みとすることを目指す。あらせ衛星はその打ち上げから約1年半が経過しており、全ての地方時でのデータを蓄積しつつあるので、ドリフトバウンス共鳴のイベント解析だけでなく、その統計的な特性(共鳴イオンエネルギー、発生場所、頻度、プラズマ分布など)を明らかにしたい。また、計算機上にULF波動の電磁場を再現し、その中でのイオンの軌跡やエネルギー変化についても研究を進めようと考えている。
複数衛星観測により明らかにした2017年4月24日の酸素イオントーラスの経度方向の構造は、世界で初めての結果であるので、早急に論文として公表を行う予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Iowa/University of New Hampshire/NASA/Goddard Space Flight Center(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: University of Iowa/University of New Hampshire/NASA/Goddard Space Flight Center
  • # of Other Institutions: 2
• [Journal Article] Three-step buildup of the 17 March 2015 storm ring current: Implication for the cause of the unexpected storm intensification (2018)
  • Author(s): Keika, K., K. Seki, M. Nose, Y. Miyoshi, L. J. Lanzerotti, D. G. Mitchell, M. Gkioulidou, and J. W. Manweiler, Three-step buildup of the 17 March 2015 storm ring current: Implication for the cause of the unexpected storm intensification
  • Journal Title: J. Geophys. Res. Volume: 123 Pages: 1-15
  • DOI: 10.1002/2017JA024462
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Van Allen Probes observations of second harmonic poloidal standing Alfven waves (2018)
  • Author(s): Takahashi, K., S. Oimatsu, M. Nose, K. Min, S. G. Claudepierre, A. Chan, J. Wygant, and H. Kim
  • Journal Title: J. Geophys. Res. Volume: 123 Pages: 1-27
  • DOI: 10.1002/2017JA024869
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The ARASE (ERG) magnetic field investigation (2018)
  • Author(s): Matsuoka, A., M. Teramoto, R. Nomura, M. Nose, A. Fujimoto, Y. Tanaka, M. Shinohara, T. Nagatsuma, K. Shiokawa, Y. Obana, Y. Miyoshi, M. Mita, T. Takashima, and I. Shinohara
  • Journal Title: Earth, Planets and Space Volume: 70 Pages: 1-16
  • DOI: 10.1186/s40623-018-0800-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Van Allen Probes observations of drift-bounce resonance and energy transfer between energetic ring current protons and poloidal Pc4 wave (2018)
  • Author(s): Oimatsu, S., M. Nose, K. Takahashi, K. Yamamoto, K. Keika, C. A. Kletzing, C. W. Smith, R. J. MacDowall, and D. G. Mitchell
  • Journal Title: J. Geophys. Res. Volume: 123 Pages: 1-15
  • DOI: 10.1029/2017JA025087
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Simultaneous observation of auroral substorm onset in Polar satellite global images and ground-based allsky images (2018)
  • Author(s): Ieda, A., K. Kauristie, Y. Nishimura, Y. Miyashita, H. U. Frey, L. Juusola, D. Whiter, M. Nose, M. O. Fillingim, F. Honary, N. C. Rogers, Y. Miyoshi, T. Miura, T. Kawashima, and S. Machida
  • Journal Title: Earth, Planets and Space Volume: 70 Pages: 1-18
  • DOI: 10.1186/s40623-018-0843-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Software-type Wave-Particle Interaction Analyzer on board the Arase satellite (2018)
  • Author(s): Y. Katoh, H. Kojima, M. Hikishima, T. Takashima, K. Asamura, Y. Miyoshi, Y. Kasahara, S. Kasahara, T. Mitani, A. Matsuoka, M. Ozaki, S. Yagitani, S. Yokota, S. Matsuda, M. Kitahara, I. Shinohara
  • Journal Title: Earth, Planets and Space Volume: 70:4 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1186/s40623-017-0771-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Medium-Energy Particle experiments - electron analyser (MEP-e) for the Exploration of energization and Radiation in Geospace (ERG) mission (2018)
  • Author(s): Kasahara, S., S. Yokota, T. Mitani, K. Asamura, M. Hirahara, Y. Shibano, and T. Takashima
  • Journal Title: Earth, Planets and Space Volume: 70:69 Pages: 1-16
  • DOI: 10.1186/s40623-018-0847-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Pulsating aurora from electron scattering by chorus waves (2018)
  • Author(s): Kasahara, S., Y. Miyoshi, S. Yokota, T. Mitani, Y. Kasahara, S. Matsuda, A. Kumamoto, A. Matsuoka, Y. Kazama, H. U. Frey, V. Angelopoulos, S. Kurita, K. Keika, K. Seki, and I. Shinohara
  • Journal Title: Nature Volume: 554 Pages: 337-340
  • DOI: 10.1038/nature25505
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Wire Probe Antenna (WPT) and Electric Field Detector (EFD) of Plasma Wave Experiment (PWE) aboard the Arase satellite: specifications and initial evaluation results (2018)
  • Author(s): Kasaba, Y., K. Ishisaka, Y. Kasahara, T. Imachi, S. Yagitani, H. Kojima, S. Matsuda, M. Shoji, S. Kurita, T. Hori, A. Shinbori, M. Teramoto, Y. Miyoshi, T. Nakagawa, N. Takahashi, Y. Nishimura, A. Matsuoka, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, and R. Nomura
  • Journal Title: Earth, Planets and Space Volume: 69:174 Pages: 1-18
  • DOI: 10.1186/s40623-017-0760-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ionospheric Alfven resonator observed at low-latitude ground station, Muroto (2017)
  • Author(s): Nose, M., M. Uyeshima, J. Kawai, and H. Hase
  • Journal Title: J. Geophys. Res. Volume: 122 Pages: 1-16
  • DOI: 10.1002/2017JA024204
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Characterization and demonstration results of a SQUID magnetometer system developed for geomagnetic field measurements (2017)
  • Author(s): Kawai, J., M. Miyamoto, M. Kawabata, M. Nose, Y. Haruta, and G. Uehara
  • Journal Title: Superconductor Science and Technology Volume: 30 Pages: 1-8
  • DOI: 10.1088/1361-6668/aa733f
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] haracteristics of seasonal variation and solar activity dependence of the geomagnetic solar quiet daily variation (2017)
  • Author(s): Shinbori, A., Y. Koyama, M. Nose, T. Hori, and Y. Otsuka
  • Journal Title: J. Geophys. Res. Volume: 122 Pages: 1-15
  • DOI: 10.1002/2017JA024342
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ground-based instruments of the PWING project to investigate dynamics of the inner magnetosphere at subauroral latitudes as a part of the ERG-ground coordinated observation network (2017)
  • Author(s): Shiokawa, K., Y. Kato, Y. Hamaguchi, Y. Yamamoto, T. Adachi, M. Ozaki, S.-I. Oyama, M. Nose, T. 他40名
  • Journal Title: Earth, Planets and Space Volume: 69:160 Pages: 1-21
  • DOI: 10.1186/s40623-017-0745-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Medium-energy particle experiments ? ion mass analyzer (MEP-i) onboard ERG (Arase) (2017)
  • Author(s): S. Yokota, S. Kasahara, T. Mitani, K. Asamura, M. Hirahara, T. Takashima, K. Yamamoto, and Y. Shibano
  • Journal Title: Earth, Planets and Space Volume: 69:172 Pages: 1-14
  • DOI: 10.1186/s40623-017-0754-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Kaguya observations of the lunar wake in the terrestrial foreshock: Surface potential change by bow-shock reflected ions (2017)
  • Author(s): M. N. Nishino, Y. Saito, H. Tsunakawa, F. Takahashi, Y. Harada, S. Yokota, M. Matsushima, H. Shibuya, H. Shimizu
  • Journal Title: Icarus Volume: 293 Pages: 45-51
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2017.04.005
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Ionospheric Aflven resonator observed at low-latitude ground station (2017)
  • Author(s): Nose, M, M. Uyeshima, J. Kawai, and H. Hase
  • Organizer: IAGA 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Recent activity of DOI-minting to solar-terrestrial physics data in Japan (2017)
  • Author(s): Nose, M, Y. Murayama, T. Kinoshita, Y. Koyama, M. Nishioka, M. Ishii, M. Kunitake, K. Imai, T. Iyemori, and T. Watanabe
  • Organizer: IAGA 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Information about geomagnetic disturbances derived from global geomagnetic observation network: AE index, Dst index, and Wp index (2017)
  • Author(s): Nose, M., T. Iyemori, O. Troshichev, D. Sormakov, J. Matzka, G. Bjornsson, G. Schwarz, S. Nagamachi, P. Kotze, H. Theron, L. Wang, S. Egdorf, S.Gilder, J. J. Curto, A. Segarra, and C. Celik
  • Organizer: CODATA 2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Magnetic field dipolarization and its associated ion flux variations in the inner magnetosphere: Simultaneous observations by Arase and Michibiki satellites (2017)
  • Author(s): Nose, M., A. Matsuoka, S. Kasahara, S. Yokota, N. Higashio, H. Koshiishi, S. Imajo, M. Teramoto, R. Nomura, A. Fujimoto, K. Keika, Y. -M. Tanaka, M. Shinohara, I. Shinohara, and Y. Miyoshi
  • Organizer: SGEPSS 2017
• [Presentation] Data Citation at World Data Center for Geomagnetism, Kyoto, International Workshop on Sharing, Citation and Publication of Scientific Data across Disciplines (2017)
  • Author(s): Nose, M.
  • Organizer: International Workshop on Sharing, Citation and Publication of Scientific Data across Disciplines
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Magnetic field dipolarization and its associated ion flux variations in the inner magnetosphere: Simultaneous observations by Arase and Michibiki satellites (2017)
  • Author(s): Nose, M., A. Matsuoka, S. Kasahara, S. Yokota, N. Higashio, H. Koshiishi, S. Imajo, M. Teramoto, R. Nomura, A. Fujimoto, K. Keika, Y. -M. Tanaka, M. Shinohara, I. Shinohara, and Y. Miyoshi
  • Organizer: AGU fall meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Energy and mass dependence of the contribution to storm-time plasma pres (2017)
  • Author(s): 桂華邦裕
  • Organizer: SGEPSS 2017 Fall Meeting
• [Presentation] Ring current spatio-temporal evolution affected by plasma sheet conditions a (2017)
  • Author(s): Kunihiro Keika
  • Organizer: 2017 IAPSO-IAMAS-IAGA Joint Assem
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Oxygen impulsive energization during the storm main phase and its contribut (2017)
  • Author(s): Kunihiro Keika
  • Organizer: JpGU meeting 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Energy and mass dependence of the contribution to storm-time plasma pres (2017)
  • Author(s): Kunihiro Keika
  • Organizer: AGU 2017 Fall Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Medium-Energy Particle experiments on ERG: ion mass spectrometer (MEP-i) (2017)
  • Author(s): S. Yokota, S. Kasahara, T. Mitani, K. Asamura, M. Hirahara, T. Takashima, K. Yamamoto
  • Organizer: SGEPSS 2017
• [Presentation] An ion mass spectrometer for observation of secondary ions from small bodies (2017)
  • Author(s): S.Yokota, A. Matsuoka, R. Nomura and Y. Saito
  • Organizer: ISTS 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Secondary volatile ions emitted from the lunar surface (2017)
  • Author(s): S. Yokota, Y. Saito, K. Asamura, M. N. Nishino, H. Tsunakawa
  • Organizer: SELENE Symposium 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study of plasmaspheric refilling using data from the ERG-MFG, the VAPs-EMFISIS, the ground-based magnetometers and the IPE model (2017)
  • Author(s): Yuki Obana, Naomi Maruyama, Masahito Nose, Ayako Matsuoka, Mariko Teramoto, Reiko Nomura, Akiko Fujimoto, Yoshimasa Tanaka, Manabu Shinohara, Yoshizumi Miyoshi, Iku Shinohara
  • Organizer: SGEPSS 2017
• [Presentation] The Study of the plasmaspheric refilling using the data from the ERG, the VAPs, the ground-based magnetometers and the IPE model (2017)
  • Author(s): Yuki Obana, Naomi Maruyama, Nose Masahito, Ayako Matsuoka, Mariko Teramoto, Reiko Nomura, Akiko Fujimoto, Yoshimasa Tanaka, Manabu Shinohara, Yoshiya Kasahara, Shoya Matsuda, Atsushi Kumamoto, Fuminori Tsuchiya, Miyoshi Yoshizumi and Iku Shinohara
  • Organizer: AGU fall meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ground calibration experiments of Magnetic field experiment on the ERG satellite, (2017)
  • Author(s): Teramoto, M., A. Matsuoka, and R. Nomura
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quasiperiodic modulations of energetic electron fluxes in the ULF range observed by the ERG satellite (2017)
  • Author(s): Teramoto, M., T. Hori , Y. Miyoshi, S. Kurita S. Saito, N. Higashio,T. Mitani, A. Matsuoka, I. Park,T. Takashima, R. Nomura, M. Nose, A. Fujimoto, Y. Tanaka, M. Shinohara, and I. Shinohara
  • Organizer: The 3rd ERG Mission Science Workshop
  • Invited
• [Presentation] The Exploration of energization and Radiation in Geospace (ERG: Arase) project overview- Collaboration with Arase and the IMAGE magnetometer network, (2017)
  • Author(s): Teramoto, M., Y. Miyoshi, I. Shinohara,T. Takashima, K. Asamura, N. Higashio, S. Yokota, S. Kasahara, T. Mitani, Y. Kazama, S.-Y. Wang, Y. Kasahara, Y. Kasaba, S. Yagitani, A. Matsuoka, H. Kojima,Y. Katoh, K. Shiokawa, K. Seki, and the ERG project team
  • Organizer: IMAGE meeting 2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Quasiperiodic modulations of energetic electron fluxes in the ULF range observed by the ERG satellite (2017)
  • Author(s): Teramoto, M., T. Hori, S. Kurita, M. Yoshizumi, S. Saito, N. Higashio, T. Mitani, A. Matsuoka, I. Park, T. Takashima, R. Nomura, M. Nose, A. Fujimoto, Y. Tanaka, M. Shinohara?and I. Shinohara
  • Organizer: SGEPSS 2017
• [Presentation] Quasiperiodic modulations of energetic electron fluxes in the ULF range observed by the ERG satellite (2017)
  • Author(s): Teramoto, M., T. Hori, S. Kurita, M. Yoshizumi, S. Saito, N. Higashio, T. Mitani, A. Matsuoka, I. Park, T. Takashima, R. Nomura, M. Nose, A. Fujimoto, Y. Tanaka, M. Shinohara?and I. Shinohara,
  • Organizer: AGU fall meeting
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 能勢正仁のホームページ
  • URL: http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/~nose/
• [Remarks] Substorm Swift Search
  • URL: http://s-cubed.info/
• [Remarks] Dst指数
  • URL: http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dstdir/
• [Remarks] AE指数
  • URL: http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/aedir/