Development of an analysis system for the environment in the Earth's magnetosphere using propagation characteristics of plasma waves

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Solar-Terrestrial Environment Prediction as Science and Social Infrastructure
• Project/Area Number: 16H01172
• Research Institution: Kanazawa University
• Principal Investigator: 笠原 禎也 金沢大学, 総合メディア基盤センター, 教授 (50243051)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 磁気圏・電離圏 / 超高層物理学 / 自然現象観測・予測 / リモートセンシング / 電波伝搬

Outline of Annual Research Achievements

太陽地球惑星系科学において科学衛星観測は、宇宙プラズマを直接測定するのに有効であるが、「その場(in situ)」1 点の観測ゆえに、各種プラズマ・電磁現象の時間・空間変化の識別や、空間全体の巨視的変動の把握が極めて難しい。
本研究は、ELF/VLFプラズマ波の伝搬特性を活用することで、限られた数の科学衛星による疎な観測情報から地球磁気圏プラズマ環境の全体像を掌握する技術を確立する。
そのために、（１）磁気圏探査衛星で測定したELF/VLFプラズマ波の伝搬方向やポインティングベクトルなどの伝搬パラメータを網羅的に求める解析ツールの整備、（２）プラズマ波の伝搬通路を理論計算するレイトレイシング法と観測データの融合による電子密度分布やイオン組成比等の磁気圏空間構造を推定する手法、を開発する。
初年度の主な成果は次のとおりである。あけぼの衛星は1989年から2015年までの長期にわたり、地球近傍プラズマ圏を連続観測し、地上からの人工VLF信号や雷起源ホイスラ波などを多数計測している。これらの波は、電離層やプラズマ圏内の電子密度および背景磁場に依存して、その伝搬特性が特徴づけられる。そこで、あけぼのが長期観測した地上からのオメガ信号を自動検出する手法を開発し、電離層・プラズマ圏内における波動の伝搬特性のローカルタイム・季節・太陽活動度などを明らかにした。
一方、「波動分布関数法」をベースに申請者らが考案した波の伝搬パラメータ求解法は、ノイズに頑健で、平面波近似が成り立たない観測事例や広がった波源からの到来波にも適用できるという特徴がある。平成28年12月に打ち上げられた内部磁気圏探査衛星あらせ（ERG）には、申請者らが担当するプラズマ波動・電場観測器（PWE)が搭載されており、現在、同観測器で計測したプラズマ波の解析に、同手法を適用する準備を進めている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究課題で掲げる２つの手法の開発計画のうち、初年度は（１）の波動の伝搬パラメータを求める解析ツールの整備に重点をおいて研究を遂行した。
あけぼの衛星が計測したオメガ信号の自動検出法は、電離層・プラズマ圏内のVLF波動から、網羅的に波動の伝搬パラメータを導出する有効な手段といえ、同解析ツールとの組み合わせで、波動の伝搬特性の定量的解析、さらには次年度に予定しているレイトレイシング法による理論計算との比較・研究に大いに有効と考えている。
また、申請者らが設計・開発したあらせ衛星搭載プラズマ波動・電場観測器（PWE)は、伝搬パラメータ解析ツールとの親和性を考慮して、波形観測やスペクトルマトリクスなどの観測機能が実装されている。同PWEは初期運用において、きわめて良好なデータが取得できることが確認できており、今後のデータ解析で数多くの成果が得られることが期待できる。
以上より、今年度の計画はおおむね順調に進展しているといえる。

Strategy for Future Research Activity

平成29年3月末からあらせが定常運用に移行したことを受け、あらせ搭載PWEで観測したコーラスをはじめとするVLF帯ホイスラーモード波に波動分布関数法を適用し、その有効性を実証する。また、イオンモードの波動は、in situのイオン組成比を反映した伝搬特性を有するため、イオンモードの波への波動分布関数法の適用についても検討する。
並行して、レイトレイシングを用いた波の伝搬通路の理論計算と観測結果を融合することで、第２の目標に掲げたプラズマ波の伝搬特性から磁気圏内の電子密度やイオン組成比などの空間構造推定を行う解析法の開発にとりくむ。

Research Products

• [Journal Article] Automatic Detection of Omega Signals Captured by the Poynting Flux Analyzer (PFX) On Board the Akebono Satellite (2016)
  • Author(s): I Made Agus Dwi Suarjaya, Y. Kasahara, and Y. Goto
  • Journal Title: International Journal of Advanced Computer Science and Applications Volume: 7(10) Pages: 67-74
  • DOI: 10.14569/IJACSA.2016.071009
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Estimation Method of Ionospheric TEC Distribution using Single Frequency Measurements of GPS Signals (2016)
  • Author(s): Win Zaw Hein, Y. Goto, and Y. Kasahara
  • Journal Title: International Journal of Advanced Computer Science and Applications Volume: 7(12) Pages: 1-6
  • DOI: 10.14569/IJACSA.2016.071201
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] A proposal of direction finding and evaluation technique of plasma waves measured in the Earth's magnetosphere (2017)
  • Author(s): Mamoru Ota, Yoshiya Kasahara, Yoshitaka Goto
  • Organizer: The 2nd PSTEP International Symposium (PSTEP-2)
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan
  • Year and Date: 2017-03-23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] あらせプラズマ波動・電場観測器 (PWE) 初期運用報告 (2017)
  • Author(s): 笠原 禎也, 笠羽 康正, 小嶋 浩嗣, 八木谷 聡, 松田 昇也, 石坂 圭吾, 尾崎 光紀, 土屋 史紀, 熊本 篤志, 疋島 充, 井町 智彦, 加藤 雄人, 三好 由純, 篠原 育
  • Organizer: 名古屋大学宇宙地球環境研究所研究集会「脈動オーロラ研究会」
  • Place of Presentation: 名古屋大学（名古屋市）
  • Year and Date: 2017-03-16
• [Presentation] プラズマ波動観測から示唆される地球プラズマ圏のマイナーイオン (2017)
  • Author(s): 松田 昇也, 三好 由純, 笠原 禎也
  • Organizer: 名古屋大学宇宙地球環境研究所研究集会「太陽惑星系宇宙プラズマ中の重イオンに関する研究集会」
  • Place of Presentation: 大阪電気通信大学（寝屋川市）
  • Year and Date: 2017-03-08
  • Invited
• [Presentation] あらせプラズマ波動観測の現状について (2017)
  • Author(s): 笠原 禎也, 笠羽 康正, 小嶋 浩嗣, 八木谷 聡, 松田 昇也, 石坂 圭吾, 尾崎 光紀, 土屋 史紀, 熊本 篤志, 疋島 充, 井町 智彦, 加藤 雄人, 三好 由純, 篠原 育
  • Organizer: 名古屋大学宇宙地球環境研究所研究集会「プラズマ圏の観測とモデリング」
  • Place of Presentation: 大阪電気通信大学（寝屋川市）
  • Year and Date: 2017-03-07
• [Presentation] Characteristics of PlasmasphericEquatorial Noise from Van Allen Probes observation (2017)
  • Author(s): Yoshizumi Miyoshi, Koji Nomura, Satoshi Kurita, Shoya Matsuda, Kunihiro Keika, Masafumi Shoji, Shinobu Machida, Yoshiya Kasahara, Naritoshi Kitamura, Ondrej Santolik, Craig A. Kletzing, Scott Boardsen, Richard Horne
  • Organizer: 名古屋大学宇宙地球環境研究所研究集会「プラズマ圏の観測とモデリング」
  • Place of Presentation: 大阪電気通信大学（寝屋川市）
  • Year and Date: 2017-03-07
• [Presentation] プラズマ波動観測から見るプラズマ圏のイオン組成変化 (2017)
  • Author(s): 松田 昇也, 三好 由純, 笠原 禎也
  • Organizer: 名古屋大学宇宙地球環境研究所研究集会「プラズマ圏の観測とモデリング」
  • Place of Presentation: 大阪電気通信大学（寝屋川市）
  • Year and Date: 2017-03-07
• [Presentation] プラズマ波動・電場観測器（PWE)現況報告 (2017)
  • Author(s): 笠原 禎也, 笠羽 康正, 小嶋 浩嗣, 八木谷 聡, 松田 昇也, 石坂 圭吾, 尾崎 光紀, 土屋 史紀, 熊本 篤志, 疋島 充, 井町 智彦, 加藤 雄人, 三好 由純, 篠原 育
  • Organizer: 名古屋大学宇宙地球環境研究所研究集会「ERG衛星の観測データを活用した電磁場・プラズマ波動解析ワークショップ」
  • Place of Presentation: 名古屋大学（名古屋市）
  • Year and Date: 2017-03-02
• [Presentation] 科学衛星搭載プラズマ波動観測器のための汎用データアーカイブファイル形式の設計 (2017)
  • Author(s): 奥田 拓希, 松田 昇也，笠原 禎也，笠羽 康正，土屋 史紀，三好 由純，ERG/PWEチーム
  • Organizer: 平成28年度宇宙科学情報解析シンポジウム
  • Place of Presentation: 宇宙科学研究所（相模原市）
  • Year and Date: 2017-02-10
• [Presentation] 宇宙科学連携拠点・ERGサイエンスセンターによるあらせ(ERG)衛星の高次データ整備及び定常運用計画立案ツールの開発 (2017)
  • Author(s): 小路 真史, 三好 由純, 梅村 宜生, 松田 昇也, 栗田 怜, 篠原 育, 笠原 禎也, 小嶋 浩嗣, 疋島 充, 加藤 雄人, 浅村 和史, 堀 智昭, 宮下 幸長, 桂華 邦裕, 寺本 万里子, 瀬川 朋紀, 西谷 望, 関 華奈子, ERG サイエンスセンタータスクチーム
  • Organizer: 平成28年度宇宙科学情報解析シンポジウム
  • Place of Presentation: 宇宙科学研究所（相模原市）
  • Year and Date: 2017-02-10
• [Presentation] ジオスペース探査計画: ERG (2017)
  • Author(s): 三好 由純, 篠原 育, 高島 健, 浅村 和史, 東尾 奈々, 松本 晴久, 三谷 烈史, 横田 勝一郎, 笠原 慧, 風間 洋一, Wang Shiang-Yu, 平原 聖文, 笠原 禎也, 笠羽 康正, 八木谷 聡, 松岡 彩子, 小嶋 浩嗣, 加藤 雄人, 塩川 和夫, 関 華奈子, 藤本 正樹, 中村 揚介, 福田 盛介, 仁田 工美, 小川 恵美子, 小野 高幸, ERGプロジェクトチーム
  • Organizer: 宇宙科学シンポジウム
  • Place of Presentation: 宇宙科学研究所（相模原市）
  • Year and Date: 2017-01-05
• [Presentation] ERG衛星による電場・磁場・プラズマ波動観測：観測器仕様と観測計画 (2017)
  • Author(s): 笠原 禎也, 笠羽康正, 八木谷 聡, 石坂 圭吾, 尾崎 光紀, 熊本 篤志, 土屋 史紀, 井町 智彦, 松田 昇也, 太田 守, ERG/PWEチーム, 松岡 彩子, 寺本 万里子, 野村 麗子, 能勢正仁, 藤本 晶子, 田中 良昌, 篠原 学, ERG/MGFチーム, 小嶋 浩嗣, 加藤 雄人, 疋島 充, 高島 健, 浅村 和史, 三好由純, ERG/S-WPIAチーム
  • Organizer: 宇宙科学シンポジウム
  • Place of Presentation: 宇宙科学研究所（相模原市）
  • Year and Date: 2017-01-05
• [Presentation] 統計的モデル選択によるスペクトルマトリクスの分類 (2016)
  • Author(s): 太田 守，笠原 禎也，後藤 由貴
  • Organizer: 第332回生存圏シンポジウム「宇宙プラズマ波動研究会」
  • Place of Presentation: 京都大学（宇治市）
  • Year and Date: 2016-12-02
• [Presentation] Study on Omega Signals Observed by Poynting Flux Analyzer on board the Akebono Satellite (2016)
  • Author(s): I Made Agus Dwi Suarjaya, Yoshiya Kasahara, Yoshitaka Got
  • Organizer: 第332回生存圏シンポジウム「宇宙プラズマ波動研究会」
  • Place of Presentation: 京都大学（宇治市）
  • Year and Date: 2016-12-02
• [Presentation] 1周波GPS信号からの電離層TEC推定のためのモデル検討 (2016)
  • Author(s): 松井 睦, Win Zaw Hein, 後藤 由貴, 笠原 禎也
  • Organizer: 第332回生存圏シンポジウム「宇宙プラズマ波動研究会」
  • Place of Presentation: 京都大学（宇治市）
  • Year and Date: 2016-12-02
• [Presentation] 1周波GPS信号からの電離層TEC推定手法におけるTEC観測モデルの検討 (2016)
  • Author(s): 松井 睦, Win Zaw Hein, 後藤 由貴, 笠原 禎也
  • Organizer: 第140回地球電磁気地球惑星圏学会
  • Place of Presentation: 九州大学（福岡市）
  • Year and Date: 2016-11-21
• [Presentation] ジオスペース探査：ERGプロジェクト (2016)
  • Author(s): 三好 由純, 篠原 育, 高島 健, 浅村 和史, 松本 晴久, 東尾 奈々, 三谷 烈史, 横田 勝一郎, 笠原 慧, 風間 洋一, Wang Shiang-Yu, 平原 聖文, 笠原 禎也, 笠羽 康正, 八木谷 聡, 松岡 彩子, 小嶋 浩嗣, 加藤 雄人, 塩川 和夫, 関 華奈子, 藤本 正樹, 小野 高幸
  • Organizer: 第140回地球電磁気地球惑星圏学会
  • Place of Presentation: 九州大学（福岡市）
  • Year and Date: 2016-11-21
• [Presentation] Investigation of ion components in the plasmasphere using plasma wave observations (2016)
  • Author(s): Koji Nomura, Yoshizumi Miyoshi, Satoshi Kurita, Shoya Matsuda, Kunihiro Keika, Masafumi Shoji, Shinobu Machida, Yoshiya Kasahara, Naritoshi Kitamura, Ondrej Santolik, Craig A. Kletzing, Scott Boardsen
  • Organizer: 第140回地球電磁気地球惑星圏学会
  • Place of Presentation: 九州大学（福岡市）
  • Year and Date: 2016-11-21
• [Presentation] Specification and Observation plan of the plasma wave experiment (PWE) on board ERG (2016)
  • Author(s): Yoshiya Kasahara, Yasumasa Kasaba, Hirotsugu Kojima, Satoshi Yagitani, Shoya Matsuda, Fuminori Tsuchiya, Keigo Ishisaka, Mitsunori Ozaki, Tomohiko Imachi, Atsushi Kumamoto, Yoshizumi Miyoshi, Mamoru Ota, Satoshi Kurita, Naoko Takahashi, Kazushi Asamura, Iku Shinohara
  • Organizer: 第140回地球電磁気地球惑星圏学会
  • Place of Presentation: 九州大学（福岡市）
  • Year and Date: 2016-11-20
• [Presentation] ERG搭載プラズマ波動観測器PWEにおける受信器特性の機上較正手法の実装 (2016)
  • Author(s): 松田 昇也, 笠原 禎也, 小嶋 浩嗣, 笠羽 康正, 井町 智彦, 尾崎 光紀, 八木谷 聡, 石坂 圭吾, 櫻井 勢一郎
  • Organizer: 第140回地球電磁気地球惑星圏学会
  • Place of Presentation: 九州大学（福岡市）
  • Year and Date: 2016-11-20
• [Presentation] ERG衛星プラズマ波動観測データの地上データ処理の開発 (2016)
  • Author(s): 奥田 拓希, 松田 昇也, 太田 守, 笠原 禎也, 笠羽 康正, 土屋 史紀, 小嶋 浩嗣, 井町 智彦, 後藤 由貴, 三好 由純
  • Organizer: 第140回地球電磁気地球惑星圏学会
  • Place of Presentation: 九州大学（福岡市）
  • Year and Date: 2016-11-20
• [Presentation] スペクトルマトリクスを用いる伝搬ベクトル推定手法の性能評価 (2016)
  • Author(s): 太田 守, 笠原 禎也, 後藤 由貴
  • Organizer: 第140回地球電磁気地球惑星圏学会
  • Place of Presentation: 九州大学（福岡市）
  • Year and Date: 2016-11-20
• [Presentation] Propagation Characteristics of Omega Signals (2016)
  • Author(s): Suarjaya I Made Agus Dwi, Yoshiya Kasahara, Yoshitaka Goto
  • Organizer: 第140回地球電磁気地球惑星圏学会
  • Place of Presentation: 九州大学（福岡市）
  • Year and Date: 2016-11-20
• [Presentation] ERG・プラズマ波動・電場観測器（PWE）のデータ解析 (2016)
  • Author(s): 笠原 禎也, 笠羽 康正, 小嶋 浩嗣, 八木谷 聡, 石坂 圭吾, 尾崎 光紀, 土屋 史紀, 熊本 篤志, 井町 智彦, 松田 昇也, 太田 守, ERG/PWEチーム
  • Organizer: 名古屋大学宇宙地球環境研究所・京都大学生存圏研究所合同シンポジウム「ERGミッションのための新しいデータ解析手法・解析ツールに関する研究会」
  • Place of Presentation: 名古屋大学（名古屋市）
  • Year and Date: 2016-11-15
  • Invited
• [Presentation] ERG/PWEによるEMIC観測 (2016)
  • Author(s): 笠原 禎也, 松田 昇也, 笠羽 康正, 小嶋 浩嗣, 八木谷 聡, 石坂 圭吾, 尾崎 光紀, 熊本 篤志, 土屋 史紀, 井町 智彦, ERG/PWEチーム
  • Organizer: ERG衛星観測に向けたEMIC波動および関連現象に関する研究集会
  • Place of Presentation: 宇宙科学研究所(相模原市）
  • Year and Date: 2016-09-06
  • Invited
• [Presentation] Geospace Exploration Project ERG (2016)
  • Author(s): Y. Miyoshi, I. Shinohara, T. Takashima, K. Asamura, H. Matsumoto, N. Higashio, T. Mitani, S. Yokota, S. Kasahara, S. Wang, Y. Kazama, M. Hirahara, Y. Kasahara, Y. Kasaba, S. Yagitani, A. Matsuoka, H. Kojima, Y. Katoh, K. Shiokawa, and K. Seki
  • Organizer: 2016 URSI Asia-Pacific Radio Science Conference (AP-RASC)
  • Place of Presentation: Seoul, Korea
  • Year and Date: 2016-08-25
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Current Status and Planning of the Plasma Wave Experiment (PWE) Onboard the ERG Satellite (2016)
  • Author(s): Y. Kasahara, Y. Kasaba, H. Kojima, S. Yagitani, T. Imachi, M. Ozaki, S. Matsuda, K. Ishisaka, F. Tsuchiya, and A. Kumamoto
  • Organizer: 2016 URSI Asia-Pacific Radio Science Conference (AP-RASC)
  • Place of Presentation: Seoul, Korea
  • Year and Date: 2016-08-24
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Estimation Method of Ionospheric TEC Distribution from Single Frequency GPS Measurements using a Slant Effect Model (2016)
  • Author(s): Win Zaw Hein, Y. Kashiwa, Y. Goto, and Y. Kasahara
  • Organizer: 2016 URSI Asia-Pacific Radio Science Conference (AP-RASC)
  • Place of Presentation: Seoul, Korea
  • Year and Date: 2016-08-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Variation in Crossover Frequency of Ion Cyclotron Whistlers in the Lower Plasmasphere (2016)
  • Author(s): S. Matsuda, Y. Kasahara, and C. A. Kletzing
  • Organizer: 13th Annual Meeting Asia Oceania Geosciences Society (AOGS)
  • Place of Presentation: Beijing, China
  • Year and Date: 2016-08-02
  • Int'l Joint Research