Study of transport and distribution of O+ ions in geospace by multi-satellite observation and numerical simulation

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21H01147
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 能勢 正仁 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 准教授 (90333559)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 松岡 彩子 京都大学, 理学研究科, 教授 (80270437) ; 熊本 篤志 東北大学, 理学研究科, 准教授 (00302076) ; 淺村 和史 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 准教授 (50321568) ; 山本 和弘 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特別研究員 (30888730)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: ジオスペース / 酸素イオントーラス / 電離層イオン流出 / サブストーム / 磁場双極子化

Outline of Annual Research Achievements

地球周辺の宇宙空間（ジオスペース）におけるプラズマのイオン組成は、そこで生起する数多くの電磁気現象の性質を支配するパラメターであるため、その変化原因や変化領域を明らかにすることが極めて重要である。そこで、この研究では、「低エネルギーO+イオンが、どのように電離層からジオスペースへ輸送され、どのように分布しているのか」について明らかにすることを目的とする。
具体的には、「①低エネルギーO+イオンが電離層から磁力線に沿って輸送され、磁気赤道付近でピッチ角散乱を受けてジオスペースに滞留する、という経路の可否」、「②ジオスペースに輸送されたO+イオンは、従来考えられてきたようなトーラス形状のO+イオン高密度領域を形成するのか、それとも主に東向きにドリフトして三日月形の高密度領域を形成するのか」の２点を複数人工衛星データの解析と計算機シミュレーションによって検証する。
2021年度は、特に①に注目し、あらせ衛星、Van Allen Probe A, B衛星の合計3機の粒子データを解析し、電離層からジオスペースへ流れ出してくるO+イオンの同時観測例について詳細な解析を行った。その結果、ジオスペースで観測される低エネルギーO+イオンは、磁場双極子化の数分後に現れること、数keVから約10 eVにわたってエネルギー分散を示すこと、磁気擾乱時・磁気静穏時のどちらにも現れること、磁力線と平行方向または反平行方向に動いていること、低エネルギーH+が付随することもあるが、その量はO+のほうが3-10倍も多いこと、などが明らかになった。このような低エネルギーO+イオンがピッチ角散乱を受ける効果について計算機シミュレーションを行い、ジオスペースの朝側領域で3-9時間程度滞留することも示した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

人工衛星データの解析、およびその結果を解釈するための計算機シミュレーションを行い、2021年度には、国際学術誌であるJournal of Geophysical Researchに2編の主著論文を発表した。また、関連した研究内容について7編の共著論文を発表した。

Strategy for Future Research Activity

2021年度は、あらせ衛星、Van Allen Probe A, B衛星の合計3機の粒子データを解析し、電離層からジオスペースへ流れ出してくるO+イオンの同時観測例について詳細な解析、および計算機シミュレーションを行った。
2022年度は引き続き、研究課題①「O+イオンの電離層からジオスペースへの直接輸送」について研究を実施すると同時に、研究課題②「ジオスペースに輸送されたO+イオンは、主に東向きにドリフトして三日月形の高密度領域を形成するのか」を調査する。具体的には、次のような解析を行う予定である。
【データ解析】　あらせ衛星の低エネルギーイオン計測器(LEPi)が計測したデータを解析し、O+イオン直接供給イベント(H+のフラックスは増大していないが、O+の数keV以下のフラックスは強い増大を示し、エネルギー分散が現れているイベント)を選び出してくる。イベントが観測されたL値、地方時、継続時間、エネルギー分散性、O+の上限・下限エネルギーなどを統計的に調査することで、イベントの性質の全体像を明らかにする。
また、衛星が朝側および夕方側を飛翔している時間帯に着目し、低エネルギーO+イオンがプラズマ圏界面付近に長時間滞留しているのかどうかを調査する。昨年度までの計算機シミュレーションから、低エネルギーイオンは東向きにドリフトしていく傾向が見られた。こうしたことが実際に衛星データからも確認できるのかを検証する。
【計算機シミュレーション】　磁場・電場モデルを用いて、計算機上にジオスペースの電磁気圏環境を再現する。これらの中で、低エネルギーO+イオンの軌道計算を行い、電離層から流出してきたO+イオンがジオスペース中でどのあたりに長時間滞留するかを調べ、衛星観測結果と比較する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Iowa/University of New Hampshire/NASA/Goddard Space Flight Center(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: University of Iowa/University of New Hampshire/NASA/Goddard Space Flight Center
  • # of Other Institutions: 2
• [Journal Article] Flux enhancements of field-aligned low-energy O+ ion (FALEO) in the inner magnetosphere: A possible source of warm plasma cloak and oxygen torus (2022)
  • Author(s): Nose, M., A. Matsuoka, Y. Miyoshi, K. Asamura, T. Hori, M. Teramoto, I. Shinohara, M. Hirahara, C. A. Kletzing, C. W. Smith, R. J. MacDowall, H. E. Spence, G. D. Reeves, and J. W. Gjerloev
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research Volume: 127 Pages: 1-19
  • DOI: 10.1029/2021JA030008
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Preferential energization of lower-charge-state heavier ions in the near-Earth magnetotail (2022)
  • Author(s): Keika, K., S. Kasahara, S. Yokota, M. Hoshino, K. Seki, T. Amano, L. M. Kistler, M. Nose, Y. Miyoshi, T. Hori, and I. Shinohara
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research Volume: 127 Pages: -
  • DOI: 10.1029/2021JA029786
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Statistical properties and proposed source mechanism of recurrent substorm activity with one-hour periodicity (2022)
  • Author(s): Keiling, A., C. Ramos, N. Vu, V. Angelopoulos, and M. Nose
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research Volume: 127 Pages: -
  • DOI: 10.1029/2021JA030064
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Collaborative research activities of the Arase and Van Allen Probes (2022)
  • Author(s): Miyoshi, Y., 他44名 (M. Nose, 34番目)
  • Journal Title: Space Science Review Volume: 218 Pages: -
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Field-aligned low-energy O+ flux enhancements in the inner magnetosphere observed by Arase (2021)
  • Author(s): Nose, M., A. Matsuoka, Y. Miyoshi, K. Asamura, T. Hori, M. Teramoto, I. Shinohara, and M. Hirahara
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research Volume: 126 Pages: 1-20
  • DOI: 10.1029/2021JA029168
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dayside cusp aurorae and ionospheric convection under radial interplanetary magnetic fields (2021)
  • Author(s): Li, H.-M., J.-H. Shue, S. Taguchi, M. Nose, K. Hosokawa, J. Ruohoniemi, Y. Zhang, S. Wing, and M. Lester
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research Volume: 126 Pages: -
  • DOI: 10.1029/2019JA027664
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Signal and noise separation from satellite magnetic field data through independent component analysis: Prospect of magnetic measurements without boom and noise source information (2021)
  • Author(s): Imajo, M., M. Nose, M. Aida, H. Matsumoto, N. Higashio, T. Tokunaga, and A. Matsuoka
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research Volume: 126 Pages: -
  • DOI: 10.1029/2020JA028790
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Field-aligned electron density distribution of the inner magnetosphere inferred from coordinated observations of Arase and Van Allen Probes (2021)
  • Author(s): Obana, Y., Y. Miyashita, N. Maruyama, A. Shinbori, M. Nose, M. Shoji, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, S. Matsuda, A. Matsuoka, Y. Kasahara, Y. Miyoshi, I. Shinohara, W. S. Kurth, C. W. Smith, and R. J. MacDowall
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research Volume: 126 Pages: -
  • DOI: 10.1029/2020JA029073
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Off-equatorial Pi2 pulsations inside and outside the plasmapause observed by the Arase satellite (2021)
  • Author(s): Teramoto, Y. Miyoshi, A. Matsuoka, Y. Kasahara, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, M. Nose, S. Imajo, M. Shoji, S. Nakamura, M. Kitahara, and I. Shnohara
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research Volume: 126 Pages: -
  • DOI: 10.1029/2021JA029677
  • Peer Reviewed
• [Presentation] SLATS衛星で推定された中性大気密度と地磁気擾乱について (2021)
  • Author(s): 能勢正仁
  • Organizer: SLATS共同研究成果報告会
• [Presentation] Multisatellite observations of field-aligned low-energy O+ ion flux enhancements in the inner magnetosphere: September 22, 2018, Event (2021)
  • Author(s): Nose, M., A. Matsuoka, Y. Miyoshi, K. Asamura, T. Hori, M. Teramoto, I. Shinohara, M. Hirahara, C. A. Klezing, C. W. Smith, R. J. MacDowall, H. E. Spence, and G. D. Reeves
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2021年大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Data Citation leaflet by Research Data Citation subcommittee of Research Data Utilization Forum (2021)
  • Author(s): Nose, M.
  • Organizer: Japan Open Science Summit 2021
• [Presentation] Multisatellite observations of field-aligned low-energy O+ ion flux enhancements in the inner magnetosphere: September 22, 2018, Event (2021)
  • Author(s): Nose, M., A. Matsuoka, Y. Miyoshi, K. Asamura, T. Hori, M. Teramoto, I. Shinohara, M. Hirahara, C. A. Klezing, C. W. Smith, R. J. MacDowall, H. E. Spence, and G. D. Reeves
  • Organizer: Asia Oceania Geosciences Society 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Multisatellite observations of field-aligned low-energy O+ ion flux enhancements in the inner magnetosphere: September 22, 2018, Event (2021)
  • Author(s): Nose, M., A. Matsuoka, Y. Miyoshi, K. Asamura, T. Hori, M. Teramoto, I. Shinohara, M. Hirahara, C. A. Klezing, C. W. Smith, R. J. MacDowall, H. E. Spence, and G. D. Reeves
  • Organizer: IAGA IASPEI 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Field-aligned low-energy O+ (FALEO) ion flux enhancements in the inner magnetosphere: A possible source of warm plasma cloak and oxygen torus (2021)
  • Author(s): 能勢正仁, 松岡彩子, 三好由純, 浅村和史, 堀智昭, 寺本万里子, 篠原育, 平原聖文, C. A. Klezing, C. W. Smith, R. J. MacDowall, H. E. Spence, and G. D. Reeves
  • Organizer: 第150回地球電磁気・地球惑星圏学会総会
• [Presentation] SGEPSSにおける研究データマネジメントの現状と将来像 (2021)
  • Author(s): 能勢正仁, 村山泰啓, 篠原育, 田中良昌, 堀智昭, 小山幸伸, 今城峻
  • Organizer: 第150回地球電磁気・地球惑星圏学会総会
• [Presentation] SGEPSSにおけるデータ出版・データ引用の現状とその実践・意義 (2021)
  • Author(s): 能勢正仁, 村山泰啓, 西岡未知, 石井守, 今井弘二, 木下武也, 小山幸信, 相良毅, 林和宏, 端場純子, 三好由純, 堀智昭, 浅利晴紀, 垰千尋
  • Organizer: 第150回地球電磁気・地球惑星圏学会総会
• [Presentation] Field-aligned low-energy O+ (FALEO) ion flux enhancements in the inner magnetosphere: A possible source of warm plasma cloak and oxygen torus (2021)
  • Author(s): Nose, M., A. Matsuoka, Y. Miyoshi, K. Asamura, T. Hori, M. Teramoto, I. Shinohara, M. Hirahara, C. A. Klezing, C. W. Smith, R. J. MacDowall, H. E. Spence, and G. D. Reeves
  • Organizer: 2021 AGU Fall Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] Wp Index
  • URL: https://doi.org/10.17593/13437-46800
• [Remarks] 能勢正仁のホームページ
  • URL: https://www.isee.nagoya-u.ac.jp/~nose.masahito