粒子加速過程の直接計測による惑星放射線帯生成モデルの実証

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18H03727
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 加藤 雄人 東北大学, 理学研究科, 教授 (60378982)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 笠原 慧 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (00550500)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 宇宙プラズマ・プラズマ波動 / 地球惑星磁気圏 / 太陽地球システム・宇宙天気 / オーロラ・磁気嵐

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、磁化天体に普遍的な高エネルギー粒子加速機構を解明することを最終目的として、宇宙空間で生じる電磁波と粒子との間のエネルギー交換過程について究明した。目的を達成するために本研究では、【１】あらせ衛星を中心とした地球磁気圏・放射線帯領域での衛星観測データを用いた解析研究、【２】　大規模計算機実験による惑星電磁圏での波動・粒子間の共鳴過程の究明、【３】WPIA機上ソフトウェアの最適化とWPIA手法の確立、をそれぞれ実施した。
2018年度は課題【１】に関して、あらせ衛星により計測されたプラズマ波動電磁界データの較正手法についての検討を行ない、WPIA解析において重要となる「位相の連続性」を保証するために最適なフィルタや波形処理フローを整理した。波形較正手法に関する検討結果は課題【３】にも関わる重要な成果となった。解析研究としては、特に、電磁イオンサイクトロトン波動を対象としたWPIA手法をMMS衛星による観測結果に適用して、Science誌に報告した。また、あらせ衛星による観測結果の解析により、地球内部磁気圏で生じるプラズマ波動と高エネルギー電子との相互作用についての事例解析研究を行い、その成果を学術誌に公表した。課題【２】に関して、ホイッスラーモード・コーラス放射の発生過程に関する再現実験を大規模計算機シミュレーションにより実施して、高エネルギー電子の速度分布がコーラス放射の発生条件に対して及ぼす影響を定量的に明らかとした。以上成果は5編の学術論文ならびに招待講演7件を含む14件の国内外での学会・研究会での発表として公表した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究で中心課題としている衛星データ解析研究、シミュレーション研究、WPIA手法の検討のそれぞれについて当初の計画通りに進められており、成果も既に上がっている。研究組織内での議論は円滑に進められており、当初の研究計画に対して順調に進展していると判断される。

Strategy for Future Research Activity

研究は順調に進展しており、次年度も当初の研究計画に従って研究を遂行する方針である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Texas at Dallas(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: University of Texas at Dallas
• [Journal Article] Microscopic observations of pulsating aurora associated with chorus element structures: Coordinated Arase satellite-PWING observations (2018)
  • Author(s): Ozaki, M., Shiokawa, K., Miyoshi, Y., Hosokawa, K., Oyama, S., Yagitani, S., Y. Kasahara, Y. Kasaba, S. Matsuda, R. Kataoka, Y. Ebihara, Y. Ogawa, Y. Otsuka, S. Kurita, R. C. Moore, Y.-M. Tanaka, M. Nos_, T. Nagatsuma, M. Connors, N. Nishitani, Y. Katoh, et al.
  • Journal Title: Geophys. Res. Lett. Volume: 45 Pages: －
  • DOI: 10.1029/2018GL079812
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Electrostatic electron cyclotron harmonic waves as a candidate to cause pulsating auroras (2018)
  • Author(s): Fukizawa, M., Sakanoi, T., Miyoshi, Y., Hosokawa, K., Shiokawa, K., Katoh, Y., Y. Kazama, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, Y. Miyashita, Y.-M. Tanaka, Y. Kasahara, M. Ozaki, A. Matsuoka, S. Matsuda, M. Hikishima, S. Oyama, Y. Ogawa, S. Kurita, and R. Fujii
  • Journal Title: Geophys. Res. Lett. Volume: 45 Pages: －
  • DOI: 10.1029/2018GL080145
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Temporal and spatial correspondence of Pc1/EMIC waves and relativistic electron precipitations observed with ground-based multi-instruments on 27 March 2017 (2018)
  • Author(s): Hirai, A., Tsuchiya, F., Obara, T., Kasaba, Y., Katoh, Y., Misawa, H., K. Shiokawa, Y. Miyoshi, S. Kurita, S. Matsuda, M. Connors, T. Nagatsuma, K. Sakaguchi, Y. Kasahara, A. Kumamoto, A. Matsuoka, M. Shoji, I. Shionohara, and J. M. Albert
  • Journal Title: Geophys. Res. Lett. Volume: 45 Pages: －
  • DOI: 10.1029/ 2018GL080126
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Direct measurements of two-way wave-particle energy transfer in a collisionless space plasma (2018)
  • Author(s): Kitamura, N., M. Kitahara, M. Shoji, Y. Miyoshi, H. Hasegawa, S. Nakamura, Y. Katoh, Y. Saito, S. Yokota, D. J. Gershman, A. F. Vinas, B. L. Giles, T. E. Moore, W. R. Paterson, C. J. Pollock, C. T. Russell, R. J. Strangeway, S. A. Fuselier, J. L. Burch
  • Journal Title: Science Volume: 371 Pages: 1000-1003
  • DOI: 10.1126/science.aap8730
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Visualization of rapid electron precipitation via chorus element wave_particle interactions (2018)
  • Author(s): Ozaki, M., Y. Miyoshi, K. Shiokawa, K. Hosokawa, S.-I. Oyama, R. Kataoka, Y. Ebihara, Y. Ogawa, Y. Kasahara, S. Yagitani, Y. Kasaba, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, S. Matsuda, Y. Katoh, et al.
  • Journal Title: Nature Comm. Volume: 10 Pages: －
  • DOI: 10.1038/s41467-018-07996-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Simulation study of the whistler-mode chorus generation in the Earth's inner magnetosphere (2019)
  • Author(s): Katoh, Y. and Y. Omura
  • Organizer: URSI AP-RASC 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Periodicity and spatial scale of wave-particle interactions in the magnetosphere (2018)
  • Author(s): Katoh, Y.
  • Organizer: ISSI Workshop “Auroral Physics”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Electron hybrid simulations of the nonlinear processes of whistler-mode chorus generation in the Earth's inner magnetosphere (2018)
  • Author(s): Katoh, Y., Y. Omura, Y. Miyake, H. Usui, and H. Nakashima
  • Organizer: ISSS-13
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Nonlinear processes of whistler-mode chorus generation in the Earth's inner magnetosphere (2018)
  • Author(s): Katoh, Y., Y. Omura, Y. Miyake, H. Usui, and H. Nakashima
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Study of the modulation of whistler-mode chorus generation by ULF waves (2018)
  • Author(s): Katoh, Y. and L. Chen
  • Organizer: Asia Oceania Geosciences Society (AOGS) 15th Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Simulation study of the dependence of the whistler-mode chorus generation on properties of energetic electrons in the Earth's inner magnetosphere (2018)
  • Author(s): Katoh, Y., Y. Omura, Y. Miyake, H. Usui, and H. Nakashima
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2018年大会
• [Presentation] Cross-reference simulations by scalable communication library for the study of wave-particle interactions in magnetospheres (2018)
  • Author(s): 加藤雄人, 深沢圭一郎, 南里豪志
  • Organizer: 第144回地球電磁気・地球惑星圏学会講演会
• [Presentation] Strong diffusion of hot electrons powering diffuse aurora (2018)
  • Author(s): Kasahara, S., Y. Miyoshi, S. Yokota, Y. Kasahara, S. Matsuda, A. Kumamoto, A. Matsuoka, H. U. Frey, V. Angelopoulos, S. Kurita, K. Keika, T. Hori, I. Shinohara
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Calibration of the medium-energy electron/ion analysers onboard ERG (Arase) (2018)
  • Author(s): Kasahara, S., S. Yokota, T. Mitani, K. Asamura, Y. Kazama, S-Y. Wang, K. Keika, T. Hori, T-F.Chang, Y. Miyoshi, and I. Shinohara
  • Organizer: CAA cross-calibration and Cluster SOWG
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] In-situ observations of wave-particle interaction by ERG (Arase) (2018)
  • Author(s): Kasahara, S., Y. Miyoshi, I. Shinohara, K. Asamura, N. Higashio, Y. Kasahara, Y. Kazama, H. Kojima, A. Matsuoka, T. Mitani, S.-Y., Wang, and S. Yokota
  • Organizer: Magnetic Reconnection in Space, Solar, Astrophysical, and Laboratory Plasmas 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Arase (ERG) Observation of Energetic Electrons in the Inner Magnetosphere and Roles of 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, I. Shinohara, K. Asamura, M. Hirahara, T. Takashima
  • Organizer: Asia Oceania Geosciences Society (AOGS) 15th Annual Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Arase (ERG) Observation of Electron Scattering by Chorus Waves near the Magnetospheric Equator (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, I. Shinohara
  • Organizer: URSI Atlantic Radio Science meeting 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Strong diffusion of energetic electrons into diffuse aurora (2018)
  • Author(s): Kasahara, S., Y. Miyoshi, S. Yokota, Y. Kasahara, S. Matsuda, A. Kumamoto, A. Matsuoka, H. U. Frey, V. Angelopoulos, S. Kurita, K. Keika, T. Hori, I. Shinohara
  • Organizer: 第144回地球電磁気・地球惑星圏学会講演会
• [Presentation] Electron scattering by chorus waves generating pulsating aurora (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, I. Shinohara
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2018年大会
  • Invited