Study of global-scale ionospheric electric field dynamics using mid-latitude SuperDARN under common research infrastructure

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18KK0099
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 西谷 望 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 准教授 (10218159)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 堀 智昭 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 特任准教授 (30467344) ; 新堀 淳樹 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 特任助教 (30555678) ; 高橋 直子 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任研究員 (90828089)
• Project Period (FY): 2018-10-09 – 2024-03-31
• Keywords: 中緯度SuperDARN / 電離圏 / 磁気圏 / SAPS / SED / 磁気流体波動

Outline of Annual Research Achievements

日米双方の中緯度SuperDARNレーダー装置・観測データを活用し、レーダー運用及びデータ解析環境の共通化を図った上で、地球自転軸と地磁気双極子軸のずれに起因する双方のレーダー観測域の地理的相違性に注目して、以下の課題に取り組む。1) SAPSやSEDに代表される電子密度・電場変動現象の空間・時間分布および地理・地磁気軸オフセット効果の影響。2)太陽風中擾乱やサブストーム現象が地球の磁気圏電離圏電場の空間・時間変動に与える影響。3)各種磁気流体波動の特性および地理・地磁気軸オフセット効果の影響。特に1分程度の短時間で劇的に変動する現象の特性およびその発生過程を明らかにすることが本研究課題の主要な目的である。
当該年度は日本側研究者3名(大学院生1名を含む)をアメリカ側代表研究機関に派遣し、現地のSuperDARNレーダー施設を利用するとともに、レーダー運用・データ解析環境の共通化を中心とした議論・打ち合わせを実施した。滞在中に、アメリカ側の大学院生が主導して実施している太陽フレアの電離圏変動への影響に関する研究に共同研究者として参加することになり、内容に関する議論に積極的にかかわり、共著の論文の出版に貢献した。
また、2019年6月にSuperDARN国際会議を日本国内で共同主催となって開催した。アメリカ側代表機関の研究者も4名参加し、研究成果の発表および情報交換・議論を実施した。当国際会議および米国地球物理学会を始めとする国内外の学会において、日米のレーダーで観測されたSAPS現象の違い、SAPS擾乱の伝搬特性や他の観測データとの比較結果等に関する研究成果を発表した。
さらには、北海道陸別町に設置したSuperDARN北海道-陸別第一・第二レーダーの運用を継続して実施するとともに、SuperDARNレーダー次世代受信機の開発を進め、次年度以降の試験運用の準備を行った。

Current Status of Research Progress

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

Reason

理由
令和元年度は直接相手側機関を訪問しての共同研究を実施することとともに、日本やアメリカで実施されたSuperDARN国際会議や米国地球物理学会を始めとする国際会議にて、同時に参加したアメリカ側の研究者と今後の共同研究計画の進め方について議論を行うことにより、共同研究を推進することができた。
当初はレーダー受信専用機をアメリカ側に設置する計画であったが、相手側期間の訪問の際に先方でも類似した計画を進めていることが判明し、双方でそれぞれの機器開発に注力するという方向に路線変更することにした。
日本国内ではSuperDARN北海道-陸別第一・第二レーダーの運用を継続してデータを蓄積し、本格的な共同研究に備えるとともに、SuperDARNレーダー次世代受信機の開発を進め、次年度以降の本格的な試験運用を見据えて準備を進めることができた。
なお、2020年2月末頃からCOVID-19ウィルスの影響により、すべての国際会議・国内会議の(オンラインを除く)開催がストップされている。これは今後の一つの懸念材料であり、次年度以降において対応を考える必要がある。

Strategy for Future Research Activity

可能な手段を活用して日米間の共同研究を進める。前項で記述したように、日本側の研究者の共同研究機関のバージニア工科大学への派遣や、国内外で行われる国際会議への参加(子それ以前に国際会議自身の開催)が現時点で極めて不透明な状況になっているが、電子メールやオンライン会議等を通じて共通環境の整備を推進するとともに、その基盤の上で共同研究をさらに進める。国際間の往来に見通しが立ったところで、国内外で開催される国際会議等を活用するとともに、日本側研究者のアメリカ共同研究機関への訪問を検討する。このように考えられる手段を活用して共通のレーダー運用・データ解析環境をより一層整備した上で、共同研究を進めていく。
並行して、日本国内でのSuperDARN観測を継続するとともに、SuperDARNレーダー次世代受信機の開発を進め、準備ができたところでレーダー設置場所に出張して試験運用を実施する。アメリカ側の同様の機器の開発・運用状況について先方と密に連絡を取り合うことで効率的な情報交換を行っていく。

Causes of Carryover

当初はデータ格納用ハードディスクを導入する計画であったが、代表者の所属研究機関で令和2年度末(3月)にレンタル計算機システムの更新が予定されているため、更新を待ってから機器を導入する方が効率的と判断した。令和2年度末あるいは令和3年度初めにハードディスクを導入する計画である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Saskatchewan(カナダ)
  • Country Name: CANADA
  • Counterpart Institution: University of Saskatchewan
• [Int'l Joint Research] National Space Science Center/Polar Research Institute of China(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: National Space Science Center/Polar Research Institute of China
• [Int'l Joint Research] GFZ-Potsdam(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: GFZ-Potsdam
• [Journal Article] First observation of ionospheric convection from the Jiamusi HF radar during a strong geomagnetic storm (2020)
  • Author(s): Zhang, J. J., Wang, W., Wang, C., Lan, A. L., Yan, J. Y., Xiang, D., Zhang, Q.H., Ruohoniemi, J.M. , Kunduri, B.S.R, Nishitani, N., Shi, X., and Qiu, H.B.
  • Journal Title: Earth and Space Science Volume: 7 Pages: e2019EA000911
  • DOI: https://doi.org/10.1029/2019EA000911
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Unprecedented Hemispheric Asymmetries During a Surprise Ionospheric Sltorm: A Game of Drivers (2020)
  • Author(s): Astafyeva, E., Bagiya, M. S., Foerster, M.,& Nishitani, N.
  • Journal Title: Journal of Geophysica Research: Space Physics Volume: 125 Pages: e2019JA027261
  • DOI: https://doi.org/10.1029/2019JA027261
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Comparison of SuperDARN peak electron density estimates based on elevation angle measurements to ionosonde and incoherent scatter radar measurements (2020)
  • Author(s): Alexander V Koustov, Sydney Ullrich, Pavlo V. Ponomarenko, Robert G. Gillies, David R. Themens, and Nozomu Nishitani
  • Journal Title: Earth Planets Space Volume: 72 Pages: 43
  • DOI: https://doi.org/10.1186/s40623-020-01170-w
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Characteristics of GNSS total clectron content enhancements over the midlatitudes during a geomagnetic storm on 7 and 8 November 2004 (2020)
  • Author(s): Sori, T., A. Shinbori, Y. Otsuka, T. Tsugawa, and M. Nishioka
  • Journal Title: J. Geophys. Res. Volume: 125 Pages: 10,376-10,394
  • DOI: https://doi.org/10.1029/2019JA026713
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] , Response of the Ionosphere-Plasmasphere Coupling to the September 2017 Storm: What Erodes the Plasmasphere so Severely? (2019)
  • Author(s): Obana, Y., N. Maruyama, A. Shinbori, K.K. Hashimoto, M. Fedrizzi, M. Nose, Y. Otsuka, N. Nishitani, T. Hori, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, S. Matsuda, A. Matsuoka, Y. Kasahara, A. Yoshikawa, Y. Miyoshi, and I. Shinohara
  • Journal Title: Space Weather Volume: 17 Pages: 861-876
  • DOI: https://doi.org/10.1029/2019SW002168
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Global diagnostics of ionospheric absorption during X-ray solar flares based on 8- to 20-MHz noise measured by over-the-horizon radars (2019)
  • Author(s): Berngardt, O.I., J.M. Ruohoniemi, J.-P. St-Maurice, A. Marchaudon, M.J. Kosch, A.S. Yukimatu, N. Nishitani, S.G. Shepherd, M.F. Marcucci, H. Hu, T. Nagatsuma, and M. Lester
  • Journal Title: Space Weather Volume: 17 Pages: 907-924
  • DOI: https://doi.org/10.1029/2018SW002130
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A Study of SuperDARN Response to Co-occurring Space Weather Phenomena (2019)
  • Author(s): Chakraborty, S., J.B.H. Baker, J.M. Ruohoniemi, B. Kunduri, N. Nishitani, and S.G. Shepherd
  • Journal Title: Space Weather Volume: 17 Pages: 1351-1363
  • DOI: https://doi.org/10.1029/2019SW002179
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Occurrence of F region echoes for the polar cap SuperDARN radars (2019)
  • Author(s): Koustov, A.V., S. Ullrich, P.V. Ponomarenko, N. Nishitani, F.M. Marcucci, and W.A. Bristow
  • Journal Title: Earth Planets Space Volume: 71 Pages: 112
  • DOI: https://doi.org/10.1186/s40623-019-1092-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Meridional Distribution of Middle‐Energy Protons and Pressure‐Driven Currents in the Nightside Inner Magnetosphere: Arase Observations (2019)
  • Author(s): Imajo, S., M. Nose, S. Kasahara, S. Yokota, A. Matsuoka, K. Keika, T. Hori, M. Teramoto, K. Yamamoto, S. Oimatsu, R. Nomura, A. Fujimoto, I. Shinohara, Y. Miyoshi
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 124 Pages: 5719-5733
  • DOI: https://doi.org/10.1029/2019JA026682
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Statistical Properties of Molecular Ions in the Ring Current Observed by the Arase (ERG) Satellite (2019)
  • Author(s): Seki, K., K. Keika, S. Kasahara, S. Yokota, T. Hori, K. Asamura, N. Higashio, M. Takada, Y. Ogawa, A. Matsuoka, M. Teramoto, Y. Miyoshi, I. Shinohara
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 46 Pages: 15
  • DOI: https://doi.org/10.1029/2019GL084163
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Strong diffusion of energetic electrons by equatorial chorus waves in the midnight‐to‐dawn sector (2019)
  • Author(s): Kasahara, S., Y. Miyoshi, S. Kurita, S. Yokota, K. Keika, T. Hori, Y. Kasahara, S. Matsuda, A. Kumamoto, A. Matsuoka, K. Seki, I. Shinohara
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 46 Pages: 22
  • DOI: https://doi.org/10.1029/2019GL085499
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Remote Detection of Drift Resonance Between Energetic Electrons and Ultralow Frequency Waves: Multisatellite Coordinated Observation by Arase and Van Allen Probes (2019)
  • Author(s): Teramoto, M., T. Hori, S. Saito, Y. Miyoshi, S. Kurita, N. Higashio, A. Matsuoka, Y. Kasahara, Y. Kasaba, T. Takashima, R. Nomura, M. Nose, A. Fujimoto, Y. M. Tanaka, M. Shoji, Y. Tsugawa, M. Shinohara, I. Shinohara, J. B. Blake, J. F. Fennell, S. G. Claudepierre, D. L. Turner, C. A. Kletzing, et al.
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 46 Pages: 21
  • DOI: https://doi.org/10.1029/2019GL084379
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cusp and Nightside Auroral Sources of O + in the Plasma Sheet (2019)
  • Author(s): Kistler, L. M., C. G. Mouikis, K. Asamura, S. Yokota, S. Kasahara, Y. Miyoshi, K. Keika, A. Matsuoka, I. Shinohara, T. Hori, N. Kitamura, S. M. Petrinec, I. J. Cohen, D. C. Delcourt
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 124 Pages: 12
  • DOI: https://doi.org/10.1029/2019ja027061
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Review of mid-latitude SuperDARN / future of SuperDARN (2020)
  • Author(s): Nishitani, N.
  • Organizer: 2020 ERG Science and Space Weather Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] SuperDARN北海道-陸別第一・第二HFレーダーの2019年度活動報告 (2020)
  • Author(s): 西谷望
  • Organizer: 陸別ユーザーズミーティング
• [Presentation] Multiscale Coupling of Sub-auroral Polarization Streams (2019)
  • Author(s): Nishitani, N., and T. Hori
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2019年大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] SuperDARN Hokkaido Pair of (HOP) radars and mid-latitude SuperDARN: today and future (2019)
  • Author(s): Nishitani, N.
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2019年大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mid-latitude SuperDARN Review Paper (2019)
  • Author(s): Nishitani, N., et al.
  • Organizer: SuperDARN Workshop 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Multiscale Coupling of Sub-auroral Polarization Streams Observed by the SuperDARN Hokkaido East / West Radars (2019)
  • Author(s): Nishitani, N., and T. Hori
  • Organizer: SuperDARN Workshop 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Review of Mid-latitude SuperDARN (2019)
  • Author(s): Nishitani, N.
  • Organizer: 2019 URSI-Japan Radio Science Meeting (URSI-JRSM 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 現象報告期間(2019.03-09)におけるHOP radars/SuperDARN観測報告 (2019)
  • Author(s): 西谷望、堀智昭、SuperDARN PIs
  • Organizer: STE 現象報告会
• [Presentation] SuperDARN / Mid-latitude SuperDARN - past, present and future (2019)
  • Author(s): Nishitani, N., SuperDARN Pis
  • Organizer: MTI研究集会
• [Presentation] Multi-event study of SAPS Wave Structures observed by the SuperDARN radars (2019)
  • Author(s): Nishitani, N., and T. Hori
  • Organizer: 第146回地球電磁気・地球惑星圏学会
• [Presentation] Mid-latitude SuperDARN Review Paper (2019)
  • Author(s): Nishitani, N.
  • Organizer: High Frequency Radar Data Application Seminar
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] SAPS Wave Structures observed by the SuperDARN Hokkaido Pair of radars: multievent analysis (2019)
  • Author(s): Nishitani, N., and T. Hori
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Statistical study of SAPS occurrence characteristics using the SuperDARN Hokkaido East HF Radar (2019)
  • Author(s): Oya, K., N. Nishitani, T. Hori
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2019年大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Statistical study of SAPS occurrence characteristics using the SuperDARN Hokkaido East HF Radar (2019)
  • Author(s): Oya, K., N. Nishitani, T. Hori
  • Organizer: SuperDARN Workshop 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study of the occurrence characteristics of SAPS observed by the SuperDARN Hokkaido East Radar with the beam-swing technique (2019)
  • Author(s): Oya, K., N. Nishitani, T. Hori
  • Organizer: 第146回地球電磁気・地球惑星圏学会
• [Presentation] Temporal and spatial evolutions of storm-time ionospheric disturbances in the low and midlatitudes as seen in the GNSS-TEC and SuperDARN radar observations (2019)
  • Author(s): Atsuki Shinbori, Yuichi Otsuka, Takuya Sori, Takuya Tsugawa, Michi Nishioka, William Bristow, J. Michael Ruohoniemi, Simon G. Shepherd, and Nozomu Nishitani
  • Organizer: SuperDARN Workshop 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Characteristics of Storm Enhanced Density in the Mid- and Low-Latitudes as Seen in the Global TEC Variations (2019)
  • Author(s): Atsuki Shinbori, Yuichi Otsuka, Takuya Sori, Takuya Tsugawa, and Michi Nishioka
  • Organizer: 27th IUGG General Assembly
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Characteristics of Temporal and Spatial Evolutions of the Ionosphere and Plasmasphere During Major Geomagnetic Storms Observed by GNSS-TEC and Arase Observations (2019)
  • Author(s): Atsuki Shinbori, Yuichi Otsuka, Takuya Sori, Takuya Tsugawa, Michi Nishioka, Atsushi Kumamoto, Fuminori Tsuchiya, Shoya Matsuda, Yoshiya Kasahara, and Ayako Matsuoka
  • Organizer: Asia Oceania Geosciences Society (AOGS) 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Characteristics of temporal and spatial evolutions of storm-time ionospheric disturbances using global total electron content obtained from GNSS receiver network (2019)
  • Author(s): Atsuki Shinbori, Yuichi Otsuka, Takuya Sori, Takuya Tsugawa, and Michi Nishioka
  • Organizer: 2019 URSI-Japan Radio Science Meeting (URSI-JRSM 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Temporal and spatial evolutions of electron density distribution in the ionosphere during a geomagnetic storm as seen in the GNSS-TEC and SuperDARN radar observations (2019)
  • Author(s): Atsuki Shinbori, Yuichi Otsuka, Takuya Sori, Takuya Tsugawa, and Michi Nishioka
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 全球 GNSS-TEC データを用いた磁気嵐時におけるグローバルな電離圏電子密度変動の特徴とその生成要因について (2019)
  • Author(s): 新堀淳樹、大塚雄一、惣宇利卓弥、津川卓也、西岡未知
  • Organizer: 「STE 現象報告会」「MTI 研究集会」「宇宙空間からの地球超高層大気観測に関する研究会」「太陽地球系物理学分野のデータ解析手法、ツールの理解と応用」合同研究集会
• [Presentation] GNSS-TECとSuperDARNレーダー観測に見られるSEDの時間・空間発展について (2019)
  • Author(s): 新堀 淳樹, 大塚 雄一, 惣宇利 卓弥, 津川 卓也, 西岡 未知, Bristow William A., Ruohoniemi John M., Shepherd Simon G., 西谷 望
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会 第146回講演会
• [Presentation] Relative contribution of ULF and chorus waves to the radiation belt variation: Comparison between multi-point observations and BATSRUS+CRCM simulation (2019)
  • Author(s): Naoko Takahashi, Kanako Seki, Mei-Ching Fok, Yihua Zheng, Yoshizumi Miyoshi, Satoshi Kasahara, Kunihiro Keika, David Hartley, Yoshiya Kasahara, Yasumasa Kasaba, Nana Higashio, Ayako Matsuoka, Shoichiro Yokota, Tomoaki Hori, Iku Shinohara
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2019年大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Relative contribution of ULF and chorus waves to the radiation belt variation: Comparison between multi-point observations and BATSRUS + CRCM simulation (2019)
  • Author(s): Naoko Takahashi, Kanako Seki, Mei-Ching Fok, Yihua Zheng, Yoshizumi Miyoshi, Satoshi Kasahara, Kunihiro Keika, David Hartley, Yoshiya Kasahara, Yasumasa Kasaba, Nana Higashio, Ayako Matsuoka, Shoichiro Yokota, Tomoaki Hori, Iku Shinohara
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会 第146回総会・講演会
• [Presentation] ドリフト運動論モデルに基づく環電流イオンとのドリフトバウンス共鳴によって励起されるstorm-time Pc5 ULF波動の研究 (2019)
  • Author(s): 山川 智嗣,関 華奈子,天野 孝伸,高橋 直子,三好 由純
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会 第146回総会・講演会
• [Presentation] Relative contribution of ULF and chorus waves to the radiation belt variation: Comparison between multi-point observations and BATSRUS + CRCM simulation (2019)
  • Author(s): Naoko Takahashi, Kanako Seki, Mei-Ching Fok, Yihua Zheng, Yoshizumi Miyoshi, Satoshi Kasahara, Kunihiro Keika, David Hartley, Yoshiya Kasahara, Yasumasa Kasaba, Nana Higashio, Ayako Matsuoka, Shoichiro Yokota, Tomoaki Hori, Iku Shinohara
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Excitation mechanisms of the storm-time Pc5 ULF waves by drift-bounce resonance with ring current ions based on the global drift-kinetic simulation (2019)
  • Author(s): Tomotsugu Yamakawa, Kanako Seki, Takanobu Amano, Yoshizumi Miyoshi, Naoko Takahashi
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Funded Workshop] SuperDARN Workshop 2019 (2019)