Energetic electron precipitations and their impact to the middle atmosphere based on coordinated groundbased observations

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H01955
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 土屋 史紀 東北大学, 理学研究科, 教授 (10302077)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大矢 浩代 千葉大学, 大学院工学研究院, 助教 (00241943) ; 西山 尚典 国立極地研究所, 研究教育系, 助教 (00704876) ; 芳原 容英 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (10303009) ; 三好 由純 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 教授 (10377781) ; 田所 裕康 駿河台大学, メディア情報学部, 講師 (40582797) ; 水野 亮 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 教授 (80212231)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 放射線帯 / プラズマ波動 / 電波伝搬 / 中間圏

Outline of Annual Research Achievements

惑星周辺の宇宙空間における高エネルギー粒子の生成・消失過程と、その高エネルギー粒子が惑星大気に及ぼす影響の理解は、太陽系の複数の惑星に跨る研究課題である。本研究は地球を対象に、放射線帯電子の大気への降下を引き起こす物理過程はなにか(課題A)、放射線帯電子の降下は中層大気に如何に影響を及ぼすか(課題B)、の二つの研究課題について実証的なアプローチにより取り組んだ。
課題Aでは、低周波電波とオーロラ及び地上磁場の連携観測により、放射線帯電子の散乱を担う電磁波動を特定した。具体的には、北米で実施している低周波電波観測と全天カメラによるオーロラ撮像観測と、地上磁場観測との同時・連続観測を行い、両者の比較解析から、降下原因となるホイッスラーモードコーラス波と電磁イオンサイクロトロン波を同定した。ホイッスラーモード波については詳細な事例解析を行い、降下電子がコーラス波動の発生の時間スケールで変調を受けること、電磁イオンサイクロトロン波については地磁気活動度に対する統計解析を行い、磁気嵐主相に出現頻度が増大することを明らかにした。
課題Bでは、高エネルギー電子降下により中間圏で生じる電離と、電離による低周波電波伝搬の変調を、大気の電離モデルと電波伝搬モデルを用いて再現する研究を開始した。モデル計算結果と低周波電波観測との比較から、電離量と高度を見積もる手法を確立するため、まず、降下量とエネルギーを仮定した放射線帯電子を中性大気モデルに入射し、これによる地球大気の電離度の高度分布と時間発展を計算した。次に、電波伝搬の電磁界計算から、電離による低周波電波受信信号の変化を計算し、モデル計算と観測との比較を実施し、降下量とエネルギーを推定する手法を確立した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

新型コロナウィルス感染症の流行による海外渡航制限のため、海外の低周波電波装置の機器設置を実施することができなかった。
一方で、既存の低周波電波装置のデータを用いた解析やモデル計算を進め、研究計画全体の遅延を最小化する努力を行った。

Strategy for Future Research Activity

新型コロナウィルス感染症の流行による海外渡航制限の緩和に従って、海外への低周波電波装置の機器設置を進めるとともに、既存の低周波電波装置のデータを用いた解析やモデル計算を進め、科学的成果の創出・公表をすすめる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Athabasca University(カナダ)
  • Country Name: CANADA
  • Counterpart Institution: Athabasca University
• [Journal Article] ULF Modulation of Energetic Electron Precipitations Observed by VLF/LF Radio Propagation (2020)
  • Author(s): Takuya Miyashita,Hiroyo Ohya,Fuminori Tsuchiya,Asuka Hirai,Mitsunori Ozaki,Kazuo Shiokawa,Yoshizumi Miyoshi,Nozomu Nishitani,Mariko Teramoto,Martin Connors,Simon G. Shepherd,Yoshiya Kasahara,Atsushi Kumamoto,Masafumi Shoji,Iku Shinohara,Hiroyuki Nakata,Toshiaki Takano
  • Journal Title: Radio Science Bulletin Volume: 372 Pages: 29-40
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Energetic electron precipitations showing ULF modulation of VLF-LF transmitter signals (2021)
  • Author(s): Hiroyo Ohya,Takuya Miyashita,Kentaro Tanaka,Fuminori Tsuchiya,Mitsunori Ozaki,Yoshizumi Miyoshi,Kazuo Shiokawa,Nozomu Nishitani,Tomoaki Hori,Martin Connors,Simon G. Shepher
  • Organizer: 3rd ISEE symposium PWING-ERG conference and school on the inner magnetosphere
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Energetic electron precipitations associated with pulsating aurora: statistical analysis of low altitude satellite and VLF subionospheric propagation (2021)
  • Author(s): F. Tsuchiya,A. Hirai,T. Obara,H. Misawa,S. Kurita,Y. Miyoshi,K. Shiokawa,M. Connors,M. Ozaki,Y. Kasahara,A. Kumamoto,Y. Kasaba,A. Matsuoka,M. Shoji,I. Shinohara
  • Organizer: 3rd ISEE symposium PWING-ERG conference and school on the inner magnetosphere
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ULF Modulation of Energetic Electron Precipitations Observed by VLF-LF Transmitter Signals (2020)
  • Author(s): Hiroyo Ohya,Takuya Miyashita,Fuminori Tsuchiya,Mitsunori Ozaki,Kazuo Shiokawa,Yoshizumi Miyoshi,Nozomu Nishitani,Tomoaki Hori,Mariko Teramoto,Martin G Connors,Simon G Shepherd
  • Organizer: AGU fall meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Relativistic electron precipitation associated with pulsating aurora observed by VLF radio propagation: A case study (2020)
  • Author(s): F.Tsuchiya,A.Hirai,T.Obara,H.Misawa,S.Kurita,Y.Miyoshi,K.Shiokawa,M.Connors,M.Ozaki,Y.Kasahara,A.Kumamoto,Y.Kasaba,A.Matsuoka,M.Shoji,I.Shinohara
  • Organizer: The 9th VERSIM workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Statistical Study of EMIC Wave-Related Electron Precipitation: Ground-Based Magnetometer and Subionospheric VLF-LF Radio Measurements (2020)
  • Author(s): A.Hirai,F.Tsuchiya,T.Obara,Y.Kasaba,Y.Katoh,H.Misawa,K.Shiokawa,Y.Miyoshi,S.Kurita,Martin Connors
  • Organizer: The 9th VERSIM workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Energetic Electron Precipitations Showing ULF Modulation of VLF-LF Standard Radio Waves (2020)
  • Author(s): Hiroyo Ohya,Takuya Miyashita,Fuminori Tsuchiya,Mitsunori Ozaki,Yoshizumi Miyoshi,Kazuo Shiokawa,Nozomu Nishitani,Martin Connors,Simon G. Shepherd
  • Organizer: The 9th VERSIM workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Energetic electron precipitation associated with pulsating aurora: Statistical analysis (2020)
  • Author(s): 土屋 史紀,平井 あすか,小原 隆博,三澤 浩昭,三好 由純,塩川 和夫,大矢 浩代,Connors Martin,笠原 禎也,熊本 篤志,小路 真史,篠原 育
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会第148回総会・講演会
• [Presentation] ULF modulation of energetic electron precipitations observed by using VLF-LF transmitter signals (2020)
  • Author(s): 大矢 浩代,宮下 拓也,土屋 史紀,尾崎 光紀,塩川 和夫,三好 由純,西谷 望,堀 智昭,寺本 万里子,Connors Martin,Shepherd Simon G
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会第148回総会・講演会
• [Presentation] VLF-LF帯標準電波を用いた高エネルギー降下電子の ULF変調 (2020)
  • Author(s): 大矢浩代,宮下拓也,土屋史紀,尾崎光紀,塩川和夫,三好由純,西谷望,堀智昭,寺本万里子,Martin Connors,Simon G. Shepherd
  • Organizer: 第13回ERGサイエンス会議 - 2020年度内部磁気圏研究集会
• [Presentation] Energetic electron precipitation associated with pulsating aurora: Statistical analysis of sub-ionospheric VLF radio propagation (2020)
  • Author(s): F. Tsuchiya,A. Hirai,Y. Miyoshi,K. Shiokawa,H. Ohya,M. Ozaki,Y. Kasahara,A. Kumamoto,M. Connors,T. Obara,H. Misawa,I. Shinohara
  • Organizer: 第13回ERGサイエンス会議 - 2020年度内部磁気圏研究集会
• [Presentation] Pi2 ULF modulation of energetic electron precipitations observed by using VLF-LF transmitter signals (2020)
  • Author(s): Hiroyo Ohya,Miyashita Takuya,Fuminori Tsuchiya,Asuka Hirai,Mitsunori Ozaki,Kazuo Shiokawa,Yoshizumi Miyoshi,Nozomu Nishitani,Tomoaki Hori,Mariko Teramoto,Martin G Connors,Simon G Shepherd,Yoshiya Kasahara,Atsushi Kumamoto,Masafumi Shoji,Iku Shinohara,Hiroyuki Nakata,Toshiaki Takano
  • Organizer: JPGU-AGU Joint meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Statistical study of EMIC waves and energetic electron precipitation: ground-based magnetometer and subionospheric VLF-LF radio measurements at subauroral latitude (2020)
  • Author(s): Asuka Hirai,Fuminori Tsuchiya,Takahiro Obara,Yasumasa Kasaba,Yuto Katoh,Hiroaki Misawa,Kazuo Shiokawa,Yoshizumi Miyoshi,Satoshi Kurita,Chae-Woo Jun,Martin G Connor
  • Organizer: JPGU-AGU Joint meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] OCTAVES : VLF/LF ionosphere observation network
  • URL: https://pparc.gp.tohoku.ac.jp/research/vlf/