2023 Fiscal Year Final Research Report

Understanding Nonlinear Acceleration and Scattering Processes of Radiation Belt Electrons through Arase Satellite Observations and Simulations

Research Project

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Project/Area Number	20H01959
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Basic Section 17010:Space and planetary sciences-related
Research Institution	Nagoya University
Principal Investigator	Miyoshi Yoshizumi 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 教授 (10377781)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	松田昇也金沢大学, 電子情報通信学系, 准教授 (20772213) 加藤雄人東北大学, 理学研究科, 教授 (60378982) 齊藤慎司国立研究開発法人情報通信研究機構, 電磁波研究所電磁波伝搬研究センター, 主任研究員 (60528165) 栗田怜京都大学, 生存圏研究所, 准教授 (90785495)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	波動粒子相互作用 / ピッチ角散乱 / 電子加速 / 脈動オーロラ
Outline of Final Research Achievements	This study utilized observational data from the Arase satellite and numerical simulations to investigate the nonlinear acceleration and scattering processes of radiation belt electrons via wave-particle interactions. We studied the mechanism by which low-frequency chorus (LBC) waves rapidly change the energy and pitch angles of electrons, forming a characteristic butterfly distribution. Additionally, we demonstrated the relationship between pulsating auroras caused by keV electrons and relativistic electron microbursts exceeding MeV, showing the consistency between observations of inverse energy dispersion structures and simulations. These findings confirm that nonlinear wave-particle interactions play a crucial role in the dynamics of radiation belt and plasma sheet electrons. The results have been reported in peer-reviewed papers in academic journals and at conferences.
Free Research Field	磁気圏物理学
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	本研究では、「あらせ」衛星の観測データと数値シミュレーションを活用して、放射線帯電子の非線形加速・散乱過程を詳細に解析した。特に、コーラス（LBC）波動が電子のエネルギーとピッチ角を急激に変化させることを示した。また、数keVの電子が引き起こす脈動オーロラと、MeVを超える相対論的電子バーストの関係性について、両者が低周波コーラスによって同時に引き起こされるというモデルを提案し、観測的に実証した。本研究の成果は、放射線帯の電子動態における非線形波動粒子相互作用の重要性を示すものであり、放射線帯における電子ダイナミクスの予測の精度向上のための重要なステップとなることが期待される。