nternational study of responses of atmospheric escape from Mars against extreme solar events

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18KK0093
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 関 華奈子 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (20345854)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 寺田 直樹 東北大学, 理学研究科, 教授 (70470060) ; 原田 裕己 京都大学, 理学研究科, 助教 (90823386)
• Project Period (FY): 2018-10-09 – 2023-03-31
• Keywords: 火星 / 大気散逸 / コロナ質量放出CME / 今日開店相互作用領域CIR / MAVEN

Outline of Annual Research Achievements

火星は約40億年前には海をたたえたハビタブルな環境を持ち、その後の進化の過程でそれを失ったと考えられている。惑星表層環境を規定する重要な要素である水や二酸化炭素などの揮発性物質の進化を理解するためには、太陽活動に伴って宇宙への大気の散逸がどのように変動するか、を理解することが必須である。
本研究は、太陽風から惑星の電離圏までをシームレスにシミュレーション可能な独自の数値実験モデルを軸に、米国NASAの火星探査機MAVENチームとの密接な国際共同研究を実施することにより、火星からの大気散逸が過去の太陽で頻発したと考えられている極端な太陽変動にどのように応答するか、の解明を目指している。特に、MAVEN Participating Scientistとしての国際連携を更に発展させ、MAVEN計画の科学責任者、副責任者の研究協力を得て各観測機器との共同研究の調整・実施するとともに、国際共同チームにより観測と数値実験の比較データ解析共同研究を推進し、国際共同研究を強化する計画である。
研究計画第3年度である令和２年度には、MAVENの科学チームで主導的な役割を果たしている研究協力者の所属機関への若手研究者の派遣等を計画していたが、新型コロナ感染症の世界的な拡大に伴い，海外渡航を伴う全ての研究活動を延期した。海外の研究協力者との共同研究はオンラインツールを用いて限定的ではあるが継続し、火星誘導磁気圏におけるイオン高速流や超高層大気での大気波動等について、MAVEN衛星データ解析等に基づく研究結果を論文として出版するなど、研究を進めた。今年度実施できなかった国際交流研究については、来年度以降にコロナ禍の状況を鑑みながら、安全性にも留意して実施する予定である。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

MAVENの科学チームで主導的な役割を果たしている研究協力者の所属機関への若手研究者の派遣等を計画していたが、新型コロナ感染症の世界的な拡大に伴い，海外渡航を伴う全ての研究活動を延期せざるを得なかったため。

Strategy for Future Research Activity

2021年度には、2020年度に開始した、これまでに観測にもとづいて選んだ数値シミュレーションにインプットとして与える太陽放射や太陽風のCMEやCIRなどの極端現象時の条件について、数値シミュレーションを実施する。さらに、その数値実験結果を、イオン種毎の応答の違いの調査、および、太陽面爆発に伴う中性大気変化の調査という2項目のデータ解析結果と比較してフィードバックをかけながら、数値モデルの改良を行い、極端現象の記述性を向上させる計画である。この2項目の観測データ解析結果と上述の数値実験結果の比較によって、重要な物理機構を抽出し、数値モデルに含まれていないものがあれば、追加で実装することで数値モデルの現象記述能力を向上させる改良を行う。この際、数値実験結果と観測結果の詳細な比較が必要であり、各項目を国際チームで担当することで、効果的に研究を進める予定である。なお、昨年度までに引き続き、探査機に搭載された複数の科学機器のデータの詳細解析を行うため、複数の観測機器チームメンバーと研究協力を行うことになるため、2020年度はコロナ禍でオンラインでしか実施できなかったMAVEN計画の科学チーム会合(PSG)に参加し、米国の複数の機器担当者との研究打合せを、2021年度には状況を見ながら再開したい。なお、コロナ渦の状況を鑑み、安全面にも工夫して国際共同研究を進めたい。

Causes of Carryover

新型コロナ感染症の世界的な拡大に伴い，海外渡航を伴う全ての研究活動を延期したため、今後、コロナ禍の状況を鑑みながら、安全性にも留意して実施する予定である。

Research Products

• [Journal Article] Effects of the IMF direction on atmospheric escape from a Mars-like planet under weak intrinsic magnetic field conditions (2021)
  • Author(s): Sakai, S., Seki, K., Terada, N., Shinagawa, H., Sakata, R., Tanaka, T., & Ebihara, Y.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 126 Pages: e2020JA028485
  • DOI: 10.1029/2020JA028485
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ion jets within current sheets in the Martian magnetosphere (2020)
  • Author(s): Harada, Y., Halekas, J. S., Xu, S., DiBraccio, G. A., Ruhunusiri, S., Hara, T., et al.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 125 Pages: e2020JA028576
  • DOI: 10.1029/2020JA028576
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Vertical Propagation of Wave Perturbations in the Middle Atmosphere on Mars by MAVEN/IUVS (2020)
  • Author(s): Hiromu Nakagawa, Naoki Terada, Sonal K. Jain, Nicholas M. Schneider, Franck Montmessin, Roger V. Yelle, Fayu Jiang, Loic Verdier, Scott L. England, Kanako Seki, Hitoshi Fujiwara, Takeshi Imamura, Nao Yoshida, Takeshi Kuroda, Kaori Terada, Hannes Groller, Justin Deighan, Bruce M. Jakosky
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research Volume: 125 Pages: e2020JE006481
  • DOI: 10.1029/2020JE006481
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Seasonal and Latitudinal Variations of Dayside N 2 /CO 2 Ratio in the Martian Thermosphere Derived From MAVEN IUVS Observations (2020)
  • Author(s): N. Yoshida, H. Nakagawa, N. Terada, J. S. Evans, N. M. Schneider, S. K. Jain, T. Imamura, J.-Y. Chaufray, H. Fujiwara, J. Deighan, B. M. Jakosky
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research Volume: 125 Pages: e2020JE006378
  • DOI: 10.1029/2020JE006378
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Design for stray-light reduction to a Martian ionospheric imager (2020)
  • Author(s): Hiromu Nakagawa, Atsushi Yamazaki, Keigo Enya, Naofumi Fujishiro, Naoki Terada, Kanako Seki
  • Journal Title: Applied Optics Volume: 59 Pages: 9937
  • DOI: 10.1364/ao.401523
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Martian oxygen and hydrogen upper atmospheres responding to solar and dust storm drivers: Hisaki space telescope observations (2020)
  • Author(s): K. Masunaga, K. Yoshioka, M. S. Chaffin, J. Deighan, S. K. Jain, N. M. Schneider, T. Kimura, F. Tsuchiya, G. Murakami, A. Yamazaki, N. Terada, and I. Yoshikawa
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research Volume: 125 Pages: e2020JE006500
  • DOI: 10.1029/2020JE006500
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of an intrinsic magnetic field on atmospheric escape from a Mars-like planet (2021)
  • Author(s): 堺正太朗
  • Organizer: 第22回惑星圏研究会
  • Invited
• [Presentation] Modeling of SEP induced auroral emission at Mars: Contribution of precipitating protons and effects of crustal fields (2021)
  • Author(s): 中村勇貴
  • Organizer: 第22回惑星圏研究会
• [Presentation] Seasonal and dust related variations of dayside ionospheric compositions coupled with neutral upper atmosphere on Mars (2021)
  • Author(s): 吉田奈央
  • Organizer: 第22回惑星圏研究会
• [Presentation] Intense Zonal Wind in the Martian Mesosphere during the 2018 Planet-Encircling Dust Event Observed by Ground-based IR Heterodyne Spectroscopy (2021)
  • Author(s): 宮本明歩
  • Organizer: 第22回惑星圏研究会
• [Presentation] 高EUV放射下における初期火星の膨張大気を考慮したフォボスの軌道進化計算 (2021)
  • Author(s): 藤田晃平
  • Organizer: 第22回惑星圏研究会
• [Presentation] MAVEN/IUVS observations of the Martian ozone layer during solar energetic particle events (2021)
  • Author(s): 晝場清乃
  • Organizer: 第22回惑星圏研究会
• [Presentation] Nightside wave perturbations in the Martian thermosphere (2021)
  • Author(s): 中川広務
  • Organizer: 第22回惑星圏研究会
• [Presentation] Effects of solar XUV and solar wind conditions on ion escape from ancient Mars (2021)
  • Author(s): 坂田遼弥
  • Organizer: 第22回惑星圏研究会
• [Presentation] Study of formation mechanisms of the molecular ion polar plume and its contribution to the ion escape from Mars (2021)
  • Author(s): 坂倉孝太郎
  • Organizer: 第22回惑星圏研究会
• [Presentation] Magnetosonic waves driven by proton ring distributions in the Martian magnetosphere (2020)
  • Author(s): 原田裕己
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020: Virtual
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Survey of dayside reconnection signatures at Mars with MAVEN (2020)
  • Author(s): 原田裕己
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020: Virtual
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Low electron temperatures observed at Mars by MAVEN on dayside crustal magnetic field lines (2020)
  • Author(s): 堺正太朗
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Seasonal variation of neutral and ion compositions in the Martian upper atmosphere observed by MAVEN/NGIMS (2020)
  • Author(s): 吉田奈央
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Stability of atmospheric redox states of early Mars inferred from time response of the regulation of H and O losses (2020)
  • Author(s): 小山俊吾
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Full PIC simulations of the surface charging on the night side of Phobos (2020)
  • Author(s): 田邉正樹
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Zonal wind acceleration in the Martian mesosphere during the global dust storm 2018 observed by IR heterodyne spectroscopy (2020)
  • Author(s): 宮本明歩
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The influence of carbon escape on the evolution of the Martian atmosphere (2020)
  • Author(s): 寺田直樹
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evolution of hydrological and glaciological activities on early Mars before late Tharsis formation (2020)
  • Author(s): 鎌田有紘
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sensitivity of the difference of cumulus convection schemes to the precipitation distributions simulated in a Paleo Mars GCM (2020)
  • Author(s): 黒田剛史
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A warm layer in the nightside mesosphere of Mars (2020)
  • Author(s): 中川広務
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study of ion loss mechanisms from ancient Mars with a focus on effects of the global intrinsic magnetic field (2020)
  • Author(s): 坂田遼弥
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study of Molecular Ion Contribution to the Polar Plume from Mars Based on MAVEN Observations (2020)
  • Author(s): 坂倉孝太郎
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study of proton escape from Mars based on MAVEN observations (2020)
  • Author(s): 森悠貴
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] On possibility of visualization of Martian space environment with diffuse aurora: Relations between magnetic field structure and solar energetic electron penetration into the upper atmosphere observed by MAVEN (2020)
  • Author(s): 関華奈子
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of the IMF direction on atmospheric escape from Mars under weak intrinsic magnetic field conditions (2020)
  • Author(s): 堺正太朗
  • Organizer: 第148回地球電磁気・地球惑星圏学会秋季講演会
• [Presentation] Modeling of SEP induced auroral emission at Mars: Different behaviors of electron and proton in the presence of crustal fields (2020)
  • Author(s): 中村勇貴
  • Organizer: 第148回地球電磁気・地球惑星圏学会秋季講演会
• [Presentation] Seasonal variation of dayside ionospheric compositions coupled with neutral upper atmosphere on Mars (2020)
  • Author(s): 吉田奈央
  • Organizer: 第148回地球電磁気・地球惑星圏学会秋季講演会
• [Presentation] Full PIC simulations of the surface charging on the nightside of Phobos: The effect of surface-plasma interaction (2020)
  • Author(s): 田邉正樹
  • Organizer: 第148回地球電磁気・地球惑星圏学会秋季講演会
• [Presentation] Intense zonal wind in the Martian mesosphere during the 2018 planet-encircling dust event observed by IR heterodyne spectroscopy (2020)
  • Author(s): 宮本明歩
  • Organizer: 第148回地球電磁気・地球惑星圏学会秋季講演会
• [Presentation] MAVEN/IUVS observation of the Martian ozone layer during solar energetic particle events (2020)
  • Author(s): 晝場清乃
  • Organizer: 第148回地球電磁気・地球惑星圏学会秋季講演会
• [Presentation] River simulations on early Mars in the Noachian and the Hesperian periods using the global river model, CRIS (2020)
  • Author(s): 鎌田有紘
  • Organizer: 第148回地球電磁気・地球惑星圏学会秋季講演会
• [Presentation] Day-night variation of O2/CO2 in Mars lower thermosphere (2020)
  • Author(s): 中川広務
  • Organizer: 第148回地球電磁気・地球惑星圏学会秋季講演会
• [Presentation] Dependence of ion escape from Mars on ancient solar XUV and solar wind conditions (2020)
  • Author(s): 坂田遼弥
  • Organizer: 第148回地球電磁気・地球惑星圏学会秋季講演会
• [Presentation] A survey of ion jets within current sheets in the vicinity of Mars with MAVEN (2020)
  • Author(s): 原田裕己
  • Organizer: 第148回地球電磁気・地球惑星圏学会秋季講演会
• [Presentation] 火星地殻残留磁場周辺で観測される周期的電子注入の研究 (2020)
  • Author(s): 加藤倫生
  • Organizer: 第148回地球電磁気・地球惑星圏学会秋季講演会
• [Presentation] Statistical properties of solar energetic electron penetration into the Martian upper atmosphere observed by MAVEN (2020)
  • Author(s): 関華奈子
  • Organizer: 第148回地球電磁気・地球惑星圏学会秋季講演会
• [Presentation] Study of proton escape from Mars based on MAVEN observations (2020)
  • Author(s): 森悠貴
  • Organizer: 第148回地球電磁気・地球惑星圏学会秋季講演会
• [Presentation] Molecular Ion Contribution to the Polar Plume from Mars and its Dependence on Solar Wind Parameters (2020)
  • Author(s): 坂倉孝太郎
  • Organizer: 第148回地球電磁気・地球惑星圏学会秋季講演会
• [Presentation] Reconnection jets within current sheets around Mars (2020)
  • Author(s): 原田裕己
  • Organizer: 宇治リコネクションワークショップ2020
• [Presentation] 初期火星の高EUV放射下における酸素大気の形成可能性 (2020)
  • Author(s): 小山俊吾
  • Organizer: 日本惑星科学会2020年秋季講演会
• [Presentation] 高EUV放射下における初期火星の膨張大気を考慮したフォボスの軌道進化計算 (2020)
  • Author(s): 藤田晃平
  • Organizer: 日本惑星科学会2020年秋季講演会
• [Presentation] Global survey of ion flow acceleration within current sheets in the Martian magnetosphere with MAVEN (2020)
  • Author(s): 原田裕己
  • Organizer: American Geophysical Union 2020 Fall Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of the IMF direction on atmospheric escape from Mars under weak intrinsic magnetic field conditions (2020)
  • Author(s): 堺正太朗
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Modeling of SEP induced auroral emission at Mars: Proton contribution to the low altitude peak and effects of crustal fields (2020)
  • Author(s): 中村勇貴
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Seasonal variation of dayside ionospheric compositions coupled with neutral upper atmosphere on Mars (2020)
  • Author(s): 吉田奈央
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The formation of O2-dominated atmosphere under high EUV flux on early Mars (2020)
  • Author(s): 小山俊吾
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Day-night variation of O2/CO2 in Mars lower thermosphere (2020)
  • Author(s): 中川広務
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of an intrinsic magnetic field on ion escape under different solar XUV and solar wind conditions (2020)
  • Author(s): 坂田遼弥
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Statistical properties of solar energetic electron penetration into the Martian upper atmosphere observed by MAVEN: Effects of the magnetic field structure in the ionosphere (2020)
  • Author(s): 関華奈子
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Molecular Ion Contribution to the Polar Plume from Mars: Effects of Solar Wind Parameters and Crustal Magnetic Fields (2020)
  • Author(s): 坂倉孝太郎
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Book] 地球・惑星・生命 (2020)
  • Author(s): 日本地球惑星科学連合
  • Total Pages: 280
  • Publisher: 東京大学出版会
  • ISBN: 978-4-13-063715-2