地上オーロラ観測と衛星直接観測を連携させて挑む新しいサブストーム像の構築

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26247082
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 町田 忍 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 教授 (70209469)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 長井 嗣信 東京工業大学, 理学院地球惑星科学系, 教授 (60260527) ; 門倉 昭 国立極地研究所, 研究教育系宙空圏研究グループ, 教授 (70185883) ; 齋藤 義文 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙プラズマグループ, 准教授 (30260011) ; 篠原 育 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙プラズマグループ, 准教授 (20301723) ; 家田 章正 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 助教 (70362209) ; 堀 智昭 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 准教授 (30467344) ; 寺田 直樹 東北大学, 理学研究科地球惑星科学専攻, 准教授 (70470060) ; 宮下 幸長 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 助教 (20435811)
• Project Period (FY): 2014-06-27 – 2017-03-31
• Keywords: サブストーム / 地球惑星磁気圏 / オーロラ / 磁気リコネクション / カタパルト電流層 / GEOTAIL衛星 / THEMIS計画 / MMS衛星

Outline of Annual Research Achievements

本研究においては目的を達成するために、基盤的な３つの課題とそれらを総合した４つ目の課題を設けて研究を実施した。それぞれについて以下のような業績が得られた。

① サブストーム時のオーロラの発展： サブストームのオンセット前後に現れるビーズ構造、オンセット後に現れるオメガバンドや東向きに拡大していく構造など、サブストームに伴う特徴的なオーロラ活動の研究を、昭和基地～アイスランド共役点観測などによって得られたデータを用いて行った。
② カタパルト電流層、カレントディスラプション、磁気リコネクションの関係の解明とMMS衛星計画への参画： THEMIS衛星データの時間重畳法解析により、カタパルト電流で発生するプラズマ流が、カレントディスラプションと磁気リコネクションを同時に開始させる様子が、より明確に示された。また、GEOTAIL衛星データの解析から、磁気中性線付近では、イオンが赤道面に向かうホール電場によって加速されることが見出された。MMS衛星計画への参画については、分担者の開発した観測装置FPI-DIS16台を搭載した4機（各機4台）のMMS衛星の一連の機能・動作試験が完了した。そして、衛星が2015年3月12日に無事打上げられた。
③ カタパルト電流層の不安定性に関する理論解析および計算機シミュレーション： 表題の計算を行うために使用する、空間３次元の電磁ハイブリッドコードの開発を進めた。また、よりグローバルな構造を研究するための磁気圏MHDシミュレーションコードに、ホール項などの非MHD項を高精度に組み込むために、5次精度の中心セミディスクリートスキームを開発した。
④ サブストーム時のオーロラ-磁気圏変動の対応関係と物理機構の解明： これまでに得た観測結果に基づいて、サブストームのエネルギー収支と磁気圏尾部のエネルギー輸送について定量的な評価を行った。それを基に、磁気圏近尾部の磁気リコネクションの役割について考察した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

① サブストーム時のオーロラの発展： 昭和基地～アイスランド共役点観測をはじめとする地上のオーロラや地磁気変動の観測網で取得されたデータの解析に準備が予定通り進んでおり、初期的な結果も得られている。
② カタパルト電流層、カレントディスラプション、磁気リコネクションの関係の解明とMMS衛星計画への参画： 従来よりも時間分解能を高めた解析により、われわれがサブストームのトリガーモデルとして提唱したカタパルト電流層緩和モデルの妥当性を裏付ける結果が得られた。また、磁気リコネクション過程で重要な磁気中性線付近では、ホール効果によって、南北方向の電場が生じ、それによってイオン加速の行われる様子が観測的に示された。
③ カタパルト電流層の不安定性に関する理論解析および計算機シミュレーション： サブストーム時のオーロラ－磁気圏変動の対応関係と関与する物理機構として重要な、尾部磁気リコネクションの時空間的発展の詳細を明らかにするために、観測事実から課題を抽出し、数値シミュレーション計算のセットアップの検討を進めた。
従来のTVDなどの高次精度風上スキームでは、磁気リコネクションの発達に重要となるホール項などを高精度に解くことが出来なかったが、高次精度中心セミディスクリートスキームを開発したことによって、ホール項の効果等をより正確に解くことが可能となった。
④ サブストーム時のオーロラ-磁気圏変動の対応関係と物理機構の解明： サブストームの過程で重要なエネルギー収支については、これまでも多くの研究報告があるが、いずれも地球近傍（X >~ -10 Re）の領域で磁気リコネクションの結果生じるローブからプラズマシートに向かう直流的なポインティングフラックスについて推定を適切に行っていなかった。今回それを実施することによって、正確なサブストームのエネルギー収支が実施できた。そして、その内容を学術誌において公表した。

Strategy for Future Research Activity

① サブストーム時のオーロラの発展： 地上観測網によるオーロラ光学観測、地磁気観測で取得されたデータを用いたサブストーム時のオーロラ活動の研究を継続する、そして、得られた成果を国際学術誌に投稿する。
② カタパルト電流層、カレントディスラプション、磁気リコネクションの関係の解明とMMS衛星計画への参画： GEOTAIL衛星とTHEMIS衛星のデータを用いて、カタパルト電流層の緩和とカレントディスラプションの関係を明らかにする。また、磁気中性線（X-line）近傍でのイオンの加速も重要であることが確認できたので、その過程で、どのエネルギーまでイオンを加速できるかを決定する。さらに、X-lineの長さを決め、加速過程を定量的に検討する。
MMS衛星計画への参画については、分担者が開発した観測装置FPI-DISを搭載した4機のMMS衛星が2015年3月12日に打上げられたので、今後、16台の観測装置の全てについて性能試験を実施する。その後、2015年9月以降に、磁気圏昼間側で本格的な観測を実施する予定である
③ カタパルト電流層の不安定性に関する理論解析および計算機シミュレーション： 全粒子計算およびハイブリッド計算を組み合わせて大規模な磁気圏尾部領域の発展のシミュレーションを行う準備を進め、サブストーム時の磁気圏尾部変動の物理プロセスを理論的に明らかにする。また、本年度開発した高次精度中心セミディスクリートスキームを実問題に適用する。さらに、磁気圏-電離圏結合の影響を評価することを目的として、電離圏ポテンシャルソルバーの開発を開始する。
④ サブストーム時のオーロラ-磁気圏変動の対応関係と物理機構の解明： THEMIS計画による地上オーロラ観測網と磁気圏衛星データを用いて、表題について実証的な研究を実施する。具体的には、オーロラの極方向への拡大と磁気圏変動の対応関係、また、それらの変動のタイミングについて研究を進める。

Research Products

• [Int'l Joint Research] カリフォルニア大学・ロサンゼルス校(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: カリフォルニア大学・ロサンゼルス校
• [Journal Article] Ion acceleration processes in magnetic reconnection: Geotail observations in the magnetotail (2015)
  • Author(s): Nagai, T., I. Shinohara, and S. Zenitani
  • Journal Title: J. Geophys. Res.. Space Physics Volume: 120 Pages: 1766-1783
  • DOI: 10.1002/2014JA020737
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Polarization observations of 4fce auroral roar emissions (2015)
  • Author(s): Sato, Y., A. Kadokura, Y. Ogawa, A. Kumamoto and Y. Katoh
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 42 Pages: 249-255
  • DOI: 10.1002/2014GL062838
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] CDF data archive and integrated data analysis platform for ERG-related ground data developed by ERG Science Center (ERG-SC) (2015)
  • Author(s): Hori, T., Y. Miyashita, Y. Miyoshi, K. Seki, T. Segawa, Y.-M. Tanaka, K. Keika, M. Shoji, I. Shinohara 他 16名
  • Journal Title: J. Sp. Sci. Info. Jpn. Volume: JAXA-RR-14-009 Pages: 75-89
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Responses of different ion species to fast plasma flows and local dipolarization in the plasma sheet (2015)
  • Author(s): Ohtani, S., M. Nose, Y. Miyashita, and A. T. Y. Lui
  • Journal Title: J. Geophys. Res., Space Physics Volume: 120 Pages: 187-200
  • DOI: 10.1002/2014JA020517
  • Int'l Joint Research
• [Journal Article] The location and rate of occurrence of near-Earth magnetotail reconnection as observed by Cluster and Geotail (2014)
  • Author(s): Genestreti, K. J., S. A. Fuselier, J. Goldstein, T. Nagai, and J. P. Eastwood
  • Journal Title: Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics Volume: 121 Pages: 98-109
  • DOI: 10.1016/j.jastp.2014.10.005
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Interrelationship between preonset auroral and magnetic signatures at a geomagnetically conjugate Iceland-Syowa pair (2014)
  • Author(s): Motoba, T., S. Ohtani, A. Kadokura, and J. Gjerloev
  • Journal Title: J. Geophys. Res., Space Physics Volume: 119 Pages: 761-769
  • DOI: 10.1002/2013JA019512
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Substorm onset process: Ignition of auroral acceleration and related substorm phases (2014)
  • Author(s): Morioka, A., Y. Miyoshi, Y. Kasaba, N. Sato, A. Kadokura, H. Misawa, Y. Miyashita, and I. Mann
  • Journal Title: J. Geophys. Res. Space Physics Volume: 119 Pages: 1044-1059
  • DOI: 10.1002/2013JA019442
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Seasonal variation and solar activity dependence of the quiet-time ionospheric trough (2014)
  • Author(s): Ishida, T., Y. Ogawa, A. Kadokura, Y. Hiraki, and I. Häggström
  • Journal Title: J. Geophys. Res. Space Physics Volume: 119 Pages: 6774-6783
  • DOI: 10.1002/2014JA019996
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Approximate forms of daytime ionospheric conductance (2014)
  • Author(s): Ieda, A., S. Oyama, H. Vanhamaki, R. Fujii, A. Nakamizo, O. Amm, T. Hori, M. Takeda, G. Ueno, A. Yoshikawa, R. J. Redmon, W. F. Denig, Y. Kamide, and N. Nishitani
  • Journal Title: J. Geophys. Res., Space Physics Volume: 119 Pages: 10397-10415
  • DOI: 10.1002/2014JA020665
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Long-term variation in the upper atmosphere as seen in the geomagnetic solar quiet daily variation (2014)
  • Author(s): Shinbori, A., Y. Koyama, M. Nose, T. Hori, Y. Otsuka, and A. Yatagai
  • Journal Title: Earth, Planets and Space Volume: 66 Pages: 155
  • DOI: 10.1186/s40623-014-0155-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Auroral fragmentation into patches (2014)
  • Author(s): Shiokawa, K., A. Hashimoto, T. Hori, K. Sakaguchi, Y.Ogawa, E. Donovan, E. Spanswick, M. Connors, Y. Otsuka, S. Oyama, S. Nozawa, and K. McWilliams
  • Journal Title: J. Geophys. Res., Space Physics Volume: 119 Pages: 8249-8261
  • DOI: 10.1002/2014JA020050
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Magnetic fluctuations embedded in dipolarization inside geosynchronous orbit and their associated selective acceleration of O+ ions (2014)
  • Author(s): Nose, M., K. Takahashi, K. Keika, L. M. Kistler, K. Koga, H. Koshiishi, H. Matsumoto, M. Shoji, Y. Miyashita, and R. Nomura
  • Journal Title: J. Geophys. Res., Space Physics Volume: 119 Pages: 4639-4655
  • DOI: 10.1002/2014JA019806
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ground-based ELF/VLF chorus observations at subauroral latitudes ― VLF-CHAIN Campaign (2014)
  • Author(s): Shiokawa, K., Y. Yokoyama, A. Ieda, Y. Miyoshi, R. Nomura, S. Lee, N. Sunagawa, Y. Miyashita, M. Ozaki, K. Ishizaka, S. Yagitani, R. Kataoka, F. Tsuchiya, I. Schofield, and M. Connors
  • Journal Title: J. Geophys. Res., Space Physics Volume: 119 Pages: 7363-7379
  • DOI: 10.1002/2014JA020161
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] An assessment of substorm energy budget and energy transport in the magnetotail (2015)
  • Author(s): Miyashita, Y.
  • Organizer: Inner Magnetosphere Coupling III
  • Place of Presentation: Los Angeles, USA
  • Year and Date: 2015-03-23 – 2015-03-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] セミディスクリート中心スキームを用いたMHDおよびnon-MHDコードの高次精度化 (2014)
  • Author(s): 寺田直樹
  • Organizer: STEシミュレーション研究会
  • Place of Presentation: 海洋研究開発機構・東京事務所（東京）
  • Year and Date: 2014-12-22 – 2014-12-23
• [Presentation] Geotail observation of low frequency wave activity in a 3D structure of magnetotail reconnection site (2014)
  • Author(s): Shinohara, I., T. Nagai, H. Kojima, S. Zenitani and M. Fujimoto
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2014
  • Place of Presentation: SanFrancisco, USA
  • Year and Date: 2014-12-15 – 2014-12-19
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Relative timing of substorm-associated processes in the near-Earth magnetotail and development of auroral onset arc (2014)
  • Author(s): Miyashita, Y., A. Ieda, S. Machida, Y. Hiraki, V. Angelopoulos, J. McFadden, H. U. Auster, S. Mende, E. Donovan, D. Larson
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2014
  • Place of Presentation: SanFrancisco, USA
  • Year and Date: 2014-12-15 – 2014-12-19
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Catapult current sheet relaxation model confirmed by THEMIS obserations (2014)
  • Author(s): Machida, S., Y. Miyashita, A. Ieda, M. Nose, V. Angelopoulos, J.P. McFadden
  • Organizer: The 12th International Conference on Substorms
  • Place of Presentation: Ise, Japan
  • Year and Date: 2014-11-10 – 2014-11-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dynamic morphology of dayside pulsating aurora observed at SouthPole Station (2014)
  • Author(s): Kadokura, A. , T. Motoba, Y. Ogawa, Y. Ebihara, A. T.Weatherwax, and A. J. Gerrad
  • Organizer: The 12th International Conference on Substorms
  • Place of Presentation: Ise, Japan
  • Year and Date: 2014-11-10 – 2014-11-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Relative timing of substorm-associated processes in the near-Earth magnetotail and development of auroral onset arc (2014)
  • Author(s): Miyashita, Y., A. Ieda, S. Machida, Y. Hiraki, V. Angelopoulos, J. P. McFadden, H. U. Auster, S. B. Mende, E. Donovan, and D. Larson
  • Organizer: 12th International Conference on Substorms
  • Place of Presentation: Ise, Japan
  • Year and Date: 2014-11-10 – 2014-11-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ダイポラリゼーション・フロント周辺にみられる速度分布関数の特性 (2014)
  • Author(s): 町田 忍、宮下幸長、家田章正、桂華邦裕、三好由純、齋藤義文
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会 第136 回総会・講演会
  • Place of Presentation: 松本、長野
  • Year and Date: 2014-10-31 – 2014-11-03
• [Presentation] サブストーム発達過程におけるプロトンオーロラと電子オーロラの関係：昭和基地地上観測（Relationship between proton and electron auroras during a course of substorm evolution） (2014)
  • Author(s): 門倉 昭、極地研宙空圏研究グループ、宮道光平、吉川康文
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会第136回総会・講演会
  • Place of Presentation: 松本、長野
  • Year and Date: 2014-10-31 – 2014-11-03
• [Presentation] 磁気圏尾部リコネクションの多重発生：テミス衛星による観測例 (2014)
  • Author(s): 家田 章正, 宮下 幸長, 町田 忍, 西村 幸敏
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会 第136 回総会・講演会
  • Place of Presentation: 松本、長野
  • Year and Date: 2014-10-31 – 2014-11-03
• [Presentation] 速い抵抗性リコネクションによる金星電離圏フラックスロープの生成 (2014)
  • Author(s): 阪本仁、寺田直樹
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会第136回総会・講演会
  • Place of Presentation: 松本、長野
  • Year and Date: 2014-10-31 – 2014-11-03
• [Presentation] Asian and international collaboration in the polar region for space and upper atmospheric sciences study in association with Japanese activities (2014)
  • Author(s): Kadokura, A., and Space and Upper Atmospheric Sciences group in NIPR
  • Organizer: 10th Asian Forum for Polar Science (AFoPS)
  • Place of Presentation: Port Dickson, Malaysia
  • Year and Date: 2014-10-07 – 2014-10-08
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] サブストームにおける磁気リコネクションの役割と磁気中性線における磁場融合メカニズムの検証について (2014)
  • Author(s): 町田 忍
  • Organizer: 平成26年度名古屋大学太陽地球環境研究所研究集会「サブストーム研究会」
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2014-09-29 – 2014-09-30
• [Presentation] Ground-based Observations for Auroral Phenomena in Japanese Antarctic Research Program (2014)
  • Author(s): Kadokura, A., H. Yamagishi, A. S. Yukimatu, H. Miyaoka, M. Okada, Y. Ogawa, Y. Tanaka, R. Kataoka, Y. Ebihara, and T. Motoba
  • Organizer: XXXIII SCAR Biennial Meetings & Open Science Conference
  • Place of Presentation: Auckland, New Zealand
  • Year and Date: 2014-08-25 – 2014-08-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Relative timing of substorm-associated magnetic reconnection in the near-Earth magnetotail and formation of auroral onset arc (2014)
  • Author(s): Miyashita, Y., A. Ieda, S. Machida, Y. Hiraki, V. Angelopoulos, J. McFadden, H. U. Auster, S. B. Mende, E. Donovan, and D. Larson
  • Organizer: Asia Oceania Geosciences Society's 11th Annual Meeting
  • Place of Presentation: Sapporo, Japan
  • Year and Date: 2014-07-28 – 2014-08-01
  • Int'l Joint Research
• [Funded Workshop] The 12th International Conference on Substorms (2014)
  • Place of Presentation: 伊勢、三重県
  • Year and Date: 2014-11-10 – 2014-11-14