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High Precision Polarimetric Observation by a Balloon-Borne Solar Telescope: Revealing Conversion Processes of Magnetic Energy in the Stellar Atmosphere

Research Project

Project/Area Number 18H05234
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (S)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Broad Section B
Research InstitutionNational Astronomical Observatory of Japan

Principal Investigator

勝川 行雄  国立天文台, 太陽観測科学プロジェクト, 准教授 (00399289)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 清水 敏文  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, 教授 (60311180)
久保 雅仁  国立天文台, SOLAR-Cプロジェクト, 助教 (80425777)
Project Period (FY) 2018-06-11 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥141,830,000 (Direct Cost: ¥109,100,000、Indirect Cost: ¥32,730,000)
Fiscal Year 2022: ¥11,830,000 (Direct Cost: ¥9,100,000、Indirect Cost: ¥2,730,000)
Fiscal Year 2021: ¥25,740,000 (Direct Cost: ¥19,800,000、Indirect Cost: ¥5,940,000)
Fiscal Year 2020: ¥23,270,000 (Direct Cost: ¥17,900,000、Indirect Cost: ¥5,370,000)
Fiscal Year 2019: ¥33,540,000 (Direct Cost: ¥25,800,000、Indirect Cost: ¥7,740,000)
Fiscal Year 2018: ¥47,450,000 (Direct Cost: ¥36,500,000、Indirect Cost: ¥10,950,000)
Keywords宇宙・天体プラズマ / 太陽物理学 / 光赤外線天文学 / 気球搭載装置 / 国際協力 / 数値モデリング
Outline of Annual Research Achievements

光球とコロナの中間にある「彩層」で発生する動的現象が担う磁気エネルギー輸送と散逸のプロセスを理解するため、大気球太陽望遠鏡SUNRISEで精密な偏光分光観測を実現し、質の高い彩層の3次元磁場・速度場を世界に先駆けて取得することを目指す。SUNRISEに搭載する近赤外線偏光分光装置SCIP(SUNRISE Chromospheric Infrared spectro-Polarimeter)をドイツ・スペインと共同開発しており、高い解像度と偏光精度を気球飛翔時の熱真空環境で実現する光学偏光系と光学構造系の開発に成功した。スペイン担当のカメラ及び観測制御装置と結合して、同期制御を含む観測機能も実証した。大型真空槽にSCIPを収容した熱真空試験を実施し、飛翔時の熱制御性能と光学性能の実証も完了した。装置の一部分に修正箇所が残っているものの、国内でのSCIP開発をほぼ完了させることができた。構成品開発の成果から論文出版もなされた。
並行して、観測データと直接比較するため、電磁流体数値シミュレーションで光球・彩層の動的現象をモデリングする研究を実施している。SUNRISE気球で観測する可視・近赤外線スペクトル線の偏光を非局所熱平衡輻射輸送計算で再現する研究を行い、磁気リコネクションや磁気流体波動の伝播時に発生する偏光信号を再現し、それがSUNRISE気球観測で検出できることを示した。これらは学会等で発表するとともに論文を執筆中である。さらに非局所熱平衡輻射輸送計算を基に、気球観測SUNRISEや大型望遠鏡DKISTによる広波長・高精度偏光データから太陽大気の物理量を求めるインバージョン手法の開発も進め論文を投稿した。SUNRISEで狙うターゲットを検討する国際ワーキンググループが立ち上がり、これまでの成果をもとに2022年のフライトに向けて観測計画を立案する活動が本格化した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

大気球太陽望遠鏡SUNRISEに搭載する偏光分光装置SCIPの開発では、飛翔体装置用の高精度光学系とそれを保持する構造系に加え、偏光分光観測の鍵となる駆動機構など、他の偏光観測装置や飛翔体観測装置に応用できる要素技術の開発に成功し、その成果を査読論文2編、集録論文5編として出版した。これら構成品のSCIPユニットへの組込みと、光学偏光性能実証、熱真空環境下での性能実証まで完了し、国内でのSCIP開発をほぼ完了させることができた。一方、COVID-19による渡航制限により、スペイン担当のカメラ及び制御エレキを国内開発部と結合した試験の開始が遅れるなどの影響を受け、開発に遅延が生じた。当初は2020年度中にSCIPをドイツへ供給する計画であったが、それを2021年度に遅らせることとなった。しかし、2022年6月に計画するフライト観測には影響が生じないように、ドイツで実施する試験計画を調整できており、研究期間内に観測データ取得と成果創出まで完了できる見込みである。
電磁流体数値シミュレーションによる太陽光球・彩層のモデリング研究では、非局所熱平衡輻射輸送計算コードを使い、SUNRISE気球望遠鏡で観測する可視光・赤外線のスペクトル線とそこで発生する偏光を再現できるようになった。この成果は査読論文として公表しており、さらに磁気リコネクションや磁気流体波動などの素過程から放射される偏光信号を予測するなど期待どおりの成果が出ている。観測される偏光データから太陽大気の磁場・速度場などの物理量を導出するインバージョン手法の開発で論文を投稿できており、SUNRISE観測で得られるデータに即座に適用できる準備を整えつつある。SUNRISE気球観測に先駆けて、ひので衛星やIRIS衛星の(偏光)分光データを解析することでも成果が得られており、以上の理由から順調に研究が進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

SUNRISE気球望遠鏡に搭載する近赤外線偏光分光装置SCIPの開発では、2021年度中頃までにドイツ・マックスプランク研究所へ供給し、SCIPをSUNRISE望遠鏡本体に組み込み、望遠鏡と結合した総合性能試験や他の観測機器との協調動作試験、気球ゴンドラ上での太陽指向試験を2021年度に実施する。その後、SUNRISE気球の射場であるスウェーデンでの試験を経て、飛翔観測を2022年6月に行う。SUNRISEは、スウェーデンから1週間かけて大西洋上空を飛翔しながら観測し、カナダに着陸する。その間、観測データは機上データレコーダに保存される。取得データを回収しその較正を行う。
太陽光球・彩層のモデリング研究では、観測と直接比較するため数値シミュレーションと輻射輸送計算により磁気エネルギー輸送と散逸の鍵となるメカニズムがどのように捉えられるか予想する研究をフライトまで継続して行い、成果を論文として出版する。偏光データから磁場・速度場などの物理量を導出するインバージョン手法を実際の観測で得られた偏光分光データに適用できることを検証する。そのために、2021年から科学観測を開始する大型地上望遠鏡DKISTの初期観測データも用いる計画である。さらに数値シミュレーションをより現実に近づける改良として、空間解像度の向上や加熱・冷却に伴う動的な電離・再結合の効果を取り込んだシミュレーションを計画している。モデリング研究で得られた知見をSUNRISE国際ワーキンググループにインプットすることでSUNRISE飛翔時の観測計画を策定する。SUNRISE飛翔観測データの解析は、SUNRISE開発班とモデリング研究班の共同で行うことで早期の成果創出を目指す。

Assessment Rating
Interim Assessment Comments (Rating)

A: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, the expected progress has been made in research.

Report

(6 results)
  • 2020 Abstract (Interim Assessment) ( PDF )   Interim Assessment (Comments) ( PDF )
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Abstract ( PDF )   Comments on the Screening Results ( PDF )   Annual Research Report

Research Products

(124 results)

All 2021 2020 2019 2018 Other

All Int'l Joint Research (8 results) Journal Article (32 results) (of which Int'l Joint Research: 22 results,  Peer Reviewed: 19 results,  Open Access: 10 results) Presentation (82 results) (of which Int'l Joint Research: 24 results,  Invited: 14 results) Remarks (2 results)

  • [Int'l Joint Research] マックス・プランク太陽系研究所(ドイツ)

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  • [Journal Article] SUNRISE-3 大気球太陽観測実験: 高精度赤外線偏光分光装置に搭載する偏光変調ユニットの開発2021

    • Author(s)
      久保雅仁、清水敏文、勝川行雄、川畑佑典、篠田一也、阿南徹、一本潔、田村友範、納富良文、中山聡、山田琢也、田島崇男、中田森平、中嶋義人、奥谷耕生、Solanki S. K.、del Toro Iniesta J. C.
    • Journal Title

      宇宙航空研究開発機構研究開発報告: 大気球研究報告

      Volume: JAXA-RR-20-009 Pages: 83-99

    • URL

      http://id.nii.ac.jp/1696/00047387/

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  • [Journal Article] SUNRISE-3 大気球太陽観測実験: 偏光分光観測装置用スキャンミラー機構の開発2021

    • Author(s)
      大場崇義、清水敏文、勝川行雄、久保雅仁、田村友範、篠田一也、納富良文、浦口史寛、都築俊宏、原弘久、小出来一秀、Solank S. K.、del Toro Iniesta J. C.
    • Journal Title

      宇宙航空研究開発機構研究開発報告: 大気球研究報告

      Volume: JAXA-RR-20-009 Pages: 69-82

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      http://id.nii.ac.jp/1696/00047386/

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  • [Journal Article] Study of the Dynamics of Convective Turbulence in the Solar Granulation by Spectral Line Broadening and Asymmetry2020

    • Author(s)
      Ishikawa Ryohtaroh T.、Katsukawa Yukio、Oba Takayoshi、Nakata Motoki、Nagaoka Kenichi、Kobayashi Tatsuya
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 890 Pages: 138-138

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ab6bce

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  • [Journal Article] Average Radial Structures of Gas Convection in the Solar Granulation2020

    • Author(s)
      T. Oba, Y. Iida, and T. Shimizu
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 890 Pages: 141-141

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ab6a90

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  • [Journal Article] Temporal and Spatial Scales in Coronal Rain Revealed by UV Imaging and Spectroscopic Observations2020

    • Author(s)
      Ishikawa, R.T., Katsukawa, Y., Antolin, P., and Toriumi, S.
    • Journal Title

      Solar Physics

      Volume: 295 Pages: 53-53

    • DOI

      10.1007/s11207-020-01617-z

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Extrapolation of Three-dimensional Magnetic Field Structure in Flare-productive Active Regions with Different Initial Conditions2020

    • Author(s)
      Kawabata Y.、Inoue S.、Shimizu T.
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 895 Pages: 105-105

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ab8ea9

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  • [Journal Article] Chromospheric Magnetic Field: A Comparison of He i 10830 Å Observations with Nonlinear Force-free Field Extrapolation2020

    • Author(s)
      Kawabata Yusuke、Asensio Ramos Andres、Inoue Satoshi、Shimizu Toshifumi
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 898 Pages: 32-32

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ab9816

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  • [Journal Article] On the Formation of Lyman β and the O i 1027 and 1028 Å Spectral Lines2020

    • Author(s)
      Hasegawa Takahiro、Quintero Noda Carlos、Shimizu Toshifumi、Carlsson Mats
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 900 Pages: 34-34

    • DOI

      10.3847/1538-4357/aba95c

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  • [Journal Article] Sun-as-a-star Spectral Irradiance Observations of Transiting Active Regions2020

    • Author(s)
      Toriumi Shin、Airapetian Vladimir S.、Hudson Hugh S.、Schrijver Carolus J.、Cheung Mark C. M.、DeRosa Marc L.
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 902 Pages: 36-36

    • DOI

      10.3847/1538-4357/abadf9

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  • [Journal Article] 国際大気球太陽観測実験SUNRISE-32020

    • Author(s)
      勝川行雄、del Toro Iniesta J. C.、Solanki S.、久保雅仁、原弘久、清水敏文、大場崇義、川畑佑典、末松芳法、浦口史寛、都築俊宏、納富良文、田村友範、篠田一也、松本琢磨、石川遼子、鹿野良平、Quintero Noda C.、永田伸一、一本潔
    • Journal Title

      大気球シンポジウム: 2020年度

      Volume: SA6000151 Pages: 13-13

    • NAID

      120006919936

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    • Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] SUNRISE Chromospheric Infrared spectroPolarimeter (SCIP) for SUNRISE III: Scan mirror mechanism2020

    • Author(s)
      Oba Takayoshi、Shimizu Toshifumi、Katsukawa Yukio、Kubo Masahito、Uraguchi Fumihiro、Tsuzuki Toshihiro、Tamura Tomonori、Shinoda Kazuya、Kodeki Kazuhide、Fukushima Kazuhiko、Gandorfer Achim、del Toro Iniesta Jose Carlos
    • Journal Title

      Proceedings of the SPIE

      Volume: 11445

    • DOI

      10.1117/12.2562075

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    • Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Sunrise Chromospheric Infrared SpectroPolarimeter (SCIP) for sunrise III: system design and capability2020

    • Author(s)
      Katsukawa、del Toro Iniesta、Solanki、Kubo、Hara、Shimizu、Oba、Kawabata、Tsuzuki、Uraguchi、Nodomi、Shinoda、Tamura、Suematsu、Ishikawa、Kano、Matsumoto、Ichimoto、Nagata、Quintero Noda、Anan、Orozco Suarez、Balaguer Jimenez、Lopez Jimenez、Cobos Carrascosa、Feller、Riethmuller、Gandorfer、Lagg
    • Journal Title

      Proceedings of the SPIE

      Volume: 11447

    • DOI

      10.1117/12.2561223

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  • [Journal Article] Sunrise Chromospheric Infrared spectroPolarimeter (SCIP) for SUNRISE-3: polarization modulation unit2020

    • Author(s)
      Kubo Masahito、Shimizu Toshifumi、Katsukawa Yukio、Kawabata Yusuke、Anan Tetsu、Ichimoto Kiyoshi、Shinoda Kazuya、Tamura Tomonori、Nodomi Yoshifumi、Nakayama Satoshi、Yamada Takuya、Tajima Takao、Nakata Shimpei、Nakajima Yoshihito、Okutani Kousei、Feller Alex、del Toro Iniesta Jose Carlos
    • Journal Title

      Proceedings of the SPIE

      Volume: 11447

    • DOI

      10.1117/12.2560457

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  • [Journal Article] Sunrise Chromospheric Infrared spectroPolarimeter (SCIP) for SUNRISE-3: Opto-mechanical analysis and design2020

    • Author(s)
      Uraguchi Fumihiro、Tsuzuki Toshihiro、Katsukawa Yukio、Hara Hirohisa、Iwamura Satoru、Kubo Masahito、Nodomi Yoshifumi、Suematsu Yoshinori、Kawabata Yusuke、Shimizu Toshifumi、Gandorfer Achim、del Toro Iniesta Jose Carlos
    • Journal Title

      Proceedings of the SPIE

      Volume: 11447

    • DOI

      10.1117/12.2561812

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  • [Journal Article] Sunrise Chromospheric Infrared spectroPolarimeter (SCIP) for SUNRISE-3: optical design and performance2020

    • Author(s)
      Tsuzuki Toshihiro、Katsukawa Yukio、Uraguchi Fumihiro、Hara Hirohisa、Kubo Masahito、Nodomi Yoshifumi、Suematsu Yoshinori、Kawabata Yusuke、Shimizu Toshifumi、Gandorfer Achim M.、Feller Alex J.、Grauf Bianca、Solanki Sami K.、del Toro Iniesta Jose Carlos
    • Journal Title

      Proceedings of the SPIE

      Volume: 11447

    • DOI

      10.1117/12.2562245

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  • [Journal Article] The SUNRISE UV Spectropolarimeter and imager for SUNRISE III2020

    • Author(s)
      Feller Alex J.、Gandorfer Achim M.、Iglesias Francisco A.、Lagg Andreas、Riethmuller Tino L.、Solanki Sami K.、Katsukawa Yukio、Kubo Masahito
    • Journal Title

      Proceedings of the SPIE

      Volume: 11447

    • DOI

      10.1117/12.2562666

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  • [Journal Article] Chromospheric polarimetry through multiline observations of the 850?nm spectral region III: Chromospheric jets driven by twisted magnetic fields2019

    • Author(s)
      Quintero?Noda C、Iijima H、Katsukawa Y、Shimizu T、Carlsson M、de?la?Cruz?Rodr?guez J、Ruiz?Cobo B、Orozco?Su?rez D、Oba T、Anan T、Kubo M、Kawabata Y、Ichimoto K、Suematsu Y
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 486 Pages: 4203-4203

    • DOI

      10.1093/mnras/stz1124

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  • [Journal Article] Vortex Formations and Its Associated Surges in a Sunspot Light Bridge2019

    • Author(s)
      H. Yang, E. Lim, H. Iijima, V. Yurchyshyn, K. Cho, J. Lee, B. Schmieder, Y. Kim, S. Kim, and S. Bong
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 882 Pages: 175-175

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ab36b7

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    • Author(s)
      Hinode Review Team、including Shimizu Toshifumi
    • Journal Title

      Publications of the Astronomical Society of Japan

      Volume: 71

    • DOI

      10.1093/pasj/psz084

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    • Author(s)
      Washinoue Haruka、Suzuki Takeru K.
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 885 Pages: 164-164

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ab48ec

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      勝川行雄、del Toro Iniesta J. C.、Solanki S.、久保雅仁、原弘久、清水敏文、大場崇義、川畑佑典、 末松芳法、浦口史寛、都築俊宏、納富良文、田村友範、篠田一也、松本琢磨、石川遼子、鹿野良平、 Quintero Noda C.、永田伸一、一本潔
    • Journal Title

      大気球シンポジウム: 2019年度

      Volume: SA6000140 Pages: 28-28

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      120006919936

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      Volume: JSASS-2019 Pages: 4208-4208

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      Volume: JSASS-2019 Pages: 4207-4207

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      Yokoyama Takaaki、Katsukawa Yukio、Shimojo Masumi
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      Volume: 71 Pages: 46-46

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      10.1093/pasj/psz014

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      Seo, M., Quintero Noda, C.
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      Volume: 871 Pages: 1-10

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      Young P.R.、Tian H.、Peter H.、Rutten R.J.、Nelson C.J.、Huang Z.、Schmieder B.、Vissers G.J.M.、Toriumi S.、Rouppe van der Voort L.H.M. 、Madjarska M.S.、Danilovic S.、Berlicki A.、Chitta L.P.、Cheung M.C.M.、Madsen C.、Reardon K.P.、Katsukawa Y.、Heinzel P.
    • Journal Title

      Space Science Review

      Volume: 214 Pages: 120-120

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      10.1007/s11214-018-0551-0

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    • Author(s)
      勝川行雄、del Toro Iniesta J. C.、Solanki S.、久保雅仁、原弘久、清水敏文、大場崇義、川畑佑典、末松芳法、浦口史寛、都築俊宏、納富良文、田村友範、篠田一也、松本琢磨、石川遼子、鹿野良平、Quintero Noda C.、永田伸一、一本潔
    • Journal Title

      大気球シンポジウム: 2019年度

      Volume: SA6000140 Pages: 028-028

    • NAID

      120006919936

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    • Author(s)
      Quintero?Noda C、Uitenbroek H、Carlsson M、Orozco?Su?rez D、Katsukawa Y、Shimizu T、Ruiz?Cobo B、Kubo M、Oba T、Kawabata Y、Hasegawa T、Ichimoto K、Anan T、Suematsu Y
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 481 Pages: 5675-5686

    • DOI

      10.1093/mnras/sty2685

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    • Author(s)
      Trujillo Bueno J.、Stepan J.、Belluzzi L.、et al.
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 866

    • DOI

      10.3847/2041-8213/aae25a

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      Stepan J.、Bueno J. Trujillo、Belluzzi L.、 et al.
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 865 Pages: 48-48

    • DOI

      10.3847/1538-4357/aad910

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      勝川行雄、清水敏文、Quintero Noda C.、久保雅仁、原弘久、一本潔、末松芳法、浦口史寛、都築俊宏、納富良文、田村友範、大場崇義、川畑佑典、石川遼子、鹿野良平、石川真之介、永田伸一、del Toro Iniesta J. C.、Solanki S.
    • Journal Title

      大気球シンポジウム: 2018年度

      Volume: SA6000128 Pages: 003-0003

    • NAID

      120006919936

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      小出来一秀、清水敏文、大場崇義、勝川行雄
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      Volume: JSASS-2018 Pages: 4161-4161

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      Masahito Kubo, Toshifumi Shimizu, Yukio Katsukawa, Yusuke Kawabata, Tetsu Anan, Kiyoshi Ichimoto, Kazuya Shinoda, Tomonori Tamura, Yoshifumi Nodomi, Satoshi Nakayama, Takuya Yamada, Takao Tajima, Shimpei Nakata, Yoshihito Nakajima, Kousei Okutani, Alex Feller, Jose Carlos del Toro Iniesta
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      https://www.mps.mpg.de/solar-physics/sunrise

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Published: 2018-06-12   Modified: 2022-05-19  

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