Study of ion composition in the lunar plasma environment by using Gateway/HERMES

2023 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22KK0045
• Research Institution: Nagoya City University
• Principal Investigator: 能勢 正仁 名古屋市立大学, データサイエンス学部, 教授 (90333559)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 桂華 邦裕 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (10719454) ; 山本 和弘 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 特任助教 (30888730)
• Project Period (FY): 2022-10-07 – 2028-03-31
• Keywords: イオン組成 / 月周回有人拠点Gateway / 船外観測装置HERMES / 月周辺プラズマ環境 / 磁気嵐 / かぐや衛星 / 磁気圏尾部

Outline of Annual Research Achievements

宇宙開発の基盤として人類が月を利用する未来がすぐそこにまで来ており、月面への中継基地となる月周回有人拠点(Gateway)の建設準備が米国を中心に進められている。安心・安全に月周辺の宇宙空間を利用していくためには、そこで生起する電磁気現象を大きく左右する背景プラズマイオン組成を詳しく調べておくことが非常に重要である。この研究では、2026年から建設が始まるGatewayの船外に搭載予定のHERMES観測装置で得られるイオンフラックスデータを解析し、「太陽風起源、月起源、地球起源の多種多様なイオンは、月周辺のプラズマ環境にそれぞれどの程度寄与しているのか？」という問いに答えることを目的とする。
今年度は、将来的にHERMESのデータを利用する際の事前準備として、かぐや衛星に搭載されたIMA観測器が取得したデータを解析した。かぐや衛星が地球磁気圏尾部のローブ領域またはプラズマシート領域に滞在している期間に注目し、IMA観測器が地球から流れてきているイオンを観測できる時間帯(衛星の太陽天頂角が90度近い値の時間帯)のデータを用いた。2008年6月19日、2008年7月16日、2009年6月7日、2009年6月8日の4日間について、そのような時期に注目して解析したところ、普段に較べて非常に多くのO+が観測されており、そのO+は月面から直接の方向よりは、地球方向から来ている量のほうが多いことが分かった。これらのイベントは、Dst指数が-10~-20 nT程度の地磁気擾乱としてはそれほど大きくない時期に起こっていることから、地球からは常に継続してO+が流れ出しており、それが38万km離れた月まで到達しうることを示している。この成果を論文としてまとめ、査読付き国際学術雑誌に投稿した(現在査読中)。

Current Status of Research Progress

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

Reason

かぐや衛星のデータ解析に関しては予定通り進んでおり、静穏時であっても地球起源のO+イオンが38万km離れた月軌道まで流れ着いている様子が確認できた。また、この成果を国際学術誌であるEarth, Planets and Space誌に投稿した。ただ、研究課題提案当初、Gateway/HERMESの稼働は2025年とされていたが、NASAから、Gateway計画全体が遅れており、HERMESの観測は2026年以降に開始予定という発表がなされた。こちらは不可避の状況であるが、引き続き、状況の推移を注意深く見守っている。

Strategy for Future Research Activity

Gateway/HERMESの観測実施は2026年からなので、それに向けての準備を行う。月面高度約100 kmの低高度を周回して月周辺のイオン組成を計測していた「かぐや」衛星のデータを統計解析する。ただし、Gatewayのように月周辺の広い高度領域を調べることはできないので、地球起源と思われるO+イオンや月起源と思われるNa+, Al+イオンなどが、磁気圏尾部中において、どの様な時に観測され、どの場所で観測されるかについて解析を行う。研究協力者(原田)は、これまでにかぐや衛星の観測データを利用した経験があるため、主に能勢と原田でこの課題に取り組む。研究成果について、学会での発表や論文出版を行う。また、かぐやのデータ解析結果やHERMESデータ解析計画について、海外共同研究者であるGlocer博士やHERMES/IDSチームの研究者と定期的にインターネット会議によって議論する。

Causes of Carryover

残額は100円で、ほぼ予定通りに助成金を使用した。来年度も研究計画に沿って適切に使用していく。

Research Products

• [Int'l Joint Research] NASA Goddard Flight Space Center/University of California, Los Angeles(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: NASA Goddard Flight Space Center/University of California, Los Angeles
• [Journal Article] Field-aligned currents associated with pulsating auroral patches: Observation with Magneto-Impedance Magnetometer (MIM) onboard Loss through Auroral Microburst Pulsations (LAMP) sounding rocket (2024)
  • Author(s): Nose, M., K. Hosokawa, R. Nomura, M. Teramoto, K. Asamura, Y. Miyoshi, T. Mitani, T. Sakanoi, T. Namekawa, T. Kawano, Y. Iwanaga, S. Tatematsu, M. Hirahara, A. Halford, M. Shumko, M. R. Lessard, K. Lynch, N. Paschalidis, A. N. Jaynes, and M. G. McHarg
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research Volume: 129 Pages: 1-16
  • DOI: 10.1029/2023JA032232
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] New observational projects in New Zealand for studying radiation belt loss processes in the deep inner magnetosphere: instrumentation, operation by solar power and initial results (2024)
  • Author(s): Obana, Y., K. Sakaguchi, M. Nose, K. Hosokawa, P. Jaquiery, S. Saita, K. Shiokawa, M. Connors, A. Kadokura, T. Nagatsuma, and Tanja Petersen
  • Journal Title: Earth, Planets and Space Volume: 76 Pages: 1-18
  • DOI: 10.1186/s40623-024-01990-0
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Direct evidence of drift-compressional wave generation in the Earth's magnetosphere detected by Arase (2024)
  • Author(s): Yamamoto, K. A. V. Rubtsov, D. V. Kostarev, P. N. Mager, D. Y. Klimushkin, M. Nose, A. Matsuoka, K. Asamura, Y. Miyoshi, S. Yokota, S. Kasahara, T. Hori, K. Keika, Y. Kasahara, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, M. Shoji, S. Nakamura, and I. Shinohara
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 51 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1029/2023GL107707
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 磁気インピーダンスセンサを用いた廉価な磁力計の開発:関東-東北-北海道への稠密磁場観測ネットワークの展開 (2024)
  • Author(s): 前田大輝，能勢正仁，野村太志，足立匠，山本優佳，熊本篤志，石田祐宣，市原寛，河野剛健，岩永吉広，立松峻一，浅利晴紀，平原秀行，海東恵美，長町信吾，渡邊修，山内大輔
  • Journal Title: 宇宙科学情報解析論文誌 Volume: 13 Pages: 71-82
  • DOI: 10.20637/0002000302
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 磁気圏に対する地球大気の影響力は想定以上？ (2024)
  • Author(s): 桂華邦裕, 笠原慧
  • Journal Title: 東京大学大学院理学系研究科・理学部ニュース Volume: 55 Pages: 11-11
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A statistical study of longitudinal extent of Pc1 pulsations using seven PWING ground stations at subauroral latitudes (2023)
  • Author(s): Liu, J., K. Shiokawa, S. Oyama, Y. Otsuka, C.-W. Jun, M. Nose, T. Nagatsuma, K. Sakaguchi, A. Kadokura, M. Ozaki, M. Connors, D. Baishev, N. Nishitani, A. Oinats., V. Kurkin, and T. Raita
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research Volume: 128 Pages: 1-17
  • DOI: 10.1029/2021JA029987
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Alfven velocity sudden increase as an indicator of the plasmapause (2023)
  • Author(s): Rubtsov, A. V., M. Nose, A. Matsuoka, Y. Kasahara, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, I. Shinohara, and Y. Miyoshi
  • Journal Title: Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics Volume: 245 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1016/j.jastp.2023.106040
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Polarization and spatial distribution features of Pc4 and Pc5 waves in the magnetosphere (2023)
  • Author(s): Rubtsov, A. V., M. Nose, A. Matsuoka, I. Shinoahara, and Y. Miyoshi
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research Volume: 128 Pages: 1-19
  • DOI: 10.1029/2023JA031674
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Plasmasphere control of ULF wave distribution at different geomagnetic conditions (2023)
  • Author(s): Rubtsov, A. V., M. Nose, A. Matsuoka, Y. Kasahara, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, I. Shinohara, and Y. Miyoshi
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research Volume: 128 Pages: 1-17
  • DOI: 10.1029/2023JA031675
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Energetic ion variations during substorm intervals using the Van Allen Probes data (2023)
  • Author(s): Shah, T., B. Veenadhari, M. Pandya, and M. Nose
  • Journal Title: Advances in Space Research Volume: 73 Pages: 3730-3742
  • DOI: 10.1016/j.asr.2023.07.011
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Probabilistic modelling of substorm occurrences with an echo state network (2023)
  • Author(s): Nakano, S., R. Kataoka, M. Nose, and J. W. Gjerloev
  • Journal Title: Annales Geophysicae Volume: 41 Pages: 529-539
  • DOI: 10.5194/angeo-41-529-2023
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Simultaneous precipitation of sub-relativistic electron microburst and pulsating aurora electrons (2023)
  • Author(s): Namekawa, T., T. Mitani, K. Asamura, Y. Miyoshi, K. Hosokawa, M. Lessard, C. Moser, A. J. Halford, T. Sakanoi, M. Kawamura, M. Nose, R. Nomura, M. Teramoto, M. Shumko, K. A. Lynch, A. N. Jaynes, M. G. McHarg
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 50 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1029/2023GL104001
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Radio Absorption in the Nightside Ionosphere of Mars During Solar Energetic Particle Events (2023)
  • Author(s): Harada, Y., Nakamura, Y., Sanchez-Cano, B., Lester, M., Terada, N., Leblanc, F.
  • Journal Title: Space Weather Volume: 21 Pages: e2023SW003755
  • DOI: 10.1029/2023SW003755
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The variable source of the plasma sheet during a geomagnetic storm (2023)
  • Author(s): Kistler, L.M., Asamura, K., Kasahara, S., Miyoshi, Y., Mouikis, C. G., Keika, K., Petrinec, S. M., Stevens, M. L., Hori, T., Yokota, S., Shinohara, I.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1038/s41467-023-41735-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] あらせ衛星によるWarm O+ Cloakの統計解析 (2024)
  • Author(s): 能勢正仁, 浅村和史, 三好由純, 松岡彩子, 寺本万里子
  • Organizer: ジオスペースの低エネルギープラズマ研究集会
• [Presentation] AI Feynmanの宇宙地球科学分野への応用可能性について (2024)
  • Author(s): 能勢正仁, 小山聡
  • Organizer: 宇宙地球環境の理解のための統計数理的アプローチ
• [Presentation] Field-aligned currents associated with pulsating auroral patches: Observation with Magneto-Impedance Magnetometer (MIM) onboard Loss through Auroral Microburst Pulsations (LAMP) sounding rocket (2023)
  • Author(s): Nose, M., K. Hosokawa, R. Nomura, M. Teramoto, K. Asamura, Y. Miyoshi, T. Mitani, T. Sakanoi, T. Namekawa, T. Kawano, Y. Iwanaga, S. Tatematsu, M. Hirahara, A. Halford, M. Shumko, M. R. Lessard, K. Lynch, N. Paschalidis, A. N. Jaynes, and M. G. McHarg
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2023年大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Application of magneto-impedance (MI) sensor to geomagnetic field measurements for magnetoseismology (2023)
  • Author(s): Nose, M., T. Maeda, H. Nomura, T. Adachi, Y. Yamamoto, A. Kumamoto, S. Ishida, T. Kawano, Y. Iwanaga, and S. Tatematsu
  • Organizer: IUGG2023 (Berlin)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Pc1 pulsations simultaneously observed at low- to high-latitude stations and by the Swarm satellites during the March 2023 storm (2023)
  • Author(s): 能勢正仁, 塩川和夫, Liejun Wang, and Bill Jones
  • Organizer: 第154回地球電磁気・地球惑星圏学会総会
• [Presentation] O+ ions of terrestrial origin near the Moon measured with the Kaguya satellite (2023)
  • Author(s): Yamauchi, D., M. Nose, Y. Harada, K. Keika, K. Yamamoto, A. Nagamatsu, S. Yokota, and Y. Saito
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2023年大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Terrestrial-origin O+ ions below 1 keV near the Moon measured with the KAGUYA satellite (2023)
  • Author(s): Yamauchi, D., M. Nose, Y. Harada, K. Keika, K. Yamamoto, A. Nagamatsu, S. Yokota, and Y. Saito
  • Organizer: 第154回地球電磁気・地球惑星圏学会総会
• [Presentation] O+ ions of terrestrial origin near the Moon measured with the Kaguya satellite (2023)
  • Author(s): Yamauchi, D., M. Nose, Y. Harada, K. Keika, K. Yamamoto, A. Nagamatsu, S. Yokota, and Y. Saito
  • Organizer: 19th European Space Weather Week
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] O+ ions of terrestrial origin near the Moon measured with the Kaguya satellite (2023)
  • Author(s): Yamauchi, D., M. Nose, Y. Harada, K. Keika, K. Yamamoto, A. Nagamatsu, S. Yokota, and Y. Saito
  • Organizer: AGU23 (San Francisco)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Characteristics of Energetic Ions Contributing to the Storm-time Ring Current: Long-term Arase/MEP-i Observations (2023)
  • Author(s): K. Keika, K. Seki, S. Kasahara, S. Yokota, T. Hori, Y. Miyoshi, I. Shinohara, A. Matsuoka
  • Organizer: American Geophysical Union 2023 Fall Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] IMAGE ENA imaging: Charge-exchange interactions between Earth’s exosphere (Geocorona) and magnetospheric >10 keV ions in the inner magnetosphere (2023)
  • Author(s): K. Keika
  • Organizer: ISSI Meeting on “The Earth’s Exosphere and Its Response to Space Weather”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Characteristics of plasma transport and energization in the inner magnetosphere: Long-term observations by Arase/MEP-i (2023)
  • Author(s): K. Keika
  • Organizer: URSI GASS 2023 Meeting, Sapporo Convention Center Sapporo Business Innovation Center
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Characteristics of energetic ions contributing to the storm-time ring current: Long-term observations by Arase/MEP-i (2023)
  • Author(s): K. Keika, K. Seki, S. Kasahara, S. Yokota, T. Hori, Y. Miyoshi, I. Shinohara, A. Matsuoka
  • Organizer: SGEPSS 2023 Fall Meeting, Tohoku University
• [Presentation] Characteristics of plasma supply and energization in the inner magnetosphere: Arase long-term observations (2023)
  • Author(s): K. Keika, K. Seki, S. Kasahara, S. Yokota, T. Hori, Y. Miyoshi, I. Shinohara, A. Matsuoka
  • Organizer: JpGU 2023 Meeting, Makuhari Messe
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 能勢正仁のホームページ
  • URL: https://www.ds.nagoya-cu.ac.jp/~nose/
• [Remarks] Wp Index
  • URL: https://doi.org/10.17593/13437-46800