4D sensing of polar atmosphere: space/atmosphere coupling through meso-scale auroral phenomena

• Project/Area Number: 22H00173
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 17:Earth and planetary science and related fields
• Research Institution: The University of Electro-Communications
• Principal Investigator: 細川 敬祐 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (80361830)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小川 泰信 国立極地研究所, 先端研究推進系, 教授 (00362210) ; 三好 由純 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 教授 (10377781) ; 大山 伸一郎 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 講師 (20444424) ; 田中 良昌 国立極地研究所, 先端研究推進系, 准教授 (50425766)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥42,120,000 (Direct Cost: ¥32,400,000、Indirect Cost: ¥9,720,000); Fiscal Year 2024: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2023: ¥20,280,000 (Direct Cost: ¥15,600,000、Indirect Cost: ¥4,680,000); Fiscal Year 2022: ¥12,870,000 (Direct Cost: ¥9,900,000、Indirect Cost: ¥2,970,000)
• Keywords: 地球大気 / オーロラ / 磁気圏電離圏結合 / 大型大気レーダー

Outline of Research at the Start

宇宙空間と極域大気が結合した系において，エネルギーの流入量と消費量の間に量的な不整合があることが，近年の汎地球的な計測によって明らかになっている．本研究では，このエネルギー収支における謎を解明するために，2023年から北欧において稼働する次世代大型大気レーダー EISCAT_3D の周辺に高空間解像度カメラを配備し，メソスケールオーロラの動態や背景物理量を3次元的に，かつ高速に観測できる統合観測システムを構築する．この拠点的観測によって極域大気の4次元センシングを実現し，宇宙から大気へのエネルギー伝達・散逸過程において，メソスケールオーロラが担っている役割を明らかにする．

Outline of Annual Research Achievements

次世代大型大気レーダー EISCAT_3D の周辺に高解像度カメラを配備し，オーロラの動態を 3 次元的に，かつ高速に撮像できる多点観測システムを構築する．この観測を，EISCAT_3D による電離圏物理量の立体観測と融合し，光と電波による極域大気の 4 次元センシングを実現する．これにより，100 km 以下の空間スケールをもつ「メソスケールオーロラ」が宇宙から大気へのエネルギー伝達・散逸過程において果たしている役割を解明する．さらに，オーロラに伴う熱圏加熱，中間圏化学変化を再現する数値シミュレーションにより，メソスケールオーロラの発現が 極域大気に与える影響を定量的に評価する．レーダーの運用については，3 次元観測を行うためのパルスコード，1 本のビームについて電離圏物理量を正確に得るために必要となる積分時間の見積もり，多ビーム観測の最適化についての検討を行った．また，EISCAT_3D の観測からベクトル量としての電場を導出するための手法の開発を行った．さらに，主として窒素分子イオンによる発光（427.8 nm）を高い時空間分解能で撮像するためのシステムの試験観測を 2022 年 10 月に実施した．さらに，国立極地研究所の光学校正施設を利用して感度校正を行い，複数地点で得られたデータを感度のギャップなしに合成するための感度特性，およびフラットフィールディングに必要となる校正画像を取得した．2023 年 10 月にノルウェーのシーボトムに 1 式目の観測システムを設置した．機器の設置後，観測は良好に継続できており，ディスクリートオーロラおよび脈動オーロラのメソスケール構造を可視化することができている．また，すでに構築している EMCCD カメラによる観測データ，特に現行 EISCAT レーダーとの同時観測データの解析を進め，オーロラに伴う電子降下現象についての成果を得た．

Current Status of Research Progress

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

Reason

1 式のカメラによる観測をスタートすることができており，オーロラのメソスケール構造の高い時空間分解能でとらえることに成功している．また，EISCAT_3D レーダーとの同時観測の計画についても，研究代表者が EISCAT 科学協会の科学諮問委員会の委員となり，立案をリードすることができている．

Strategy for Future Research Activity

2023 年に，さらに 2 式の CMOS カメラを導入し，EISCAT_3D レーダーの視野の赤道側をカバーするための光学観測システムを 2 式開発する．この 2 式のカメラの試験を国内で実施し，2024 年度の機器設置作業に備える．2024 年度の秋以降にスウェーデンの 2 地点に観測システムの設置を行い，3 式のカメラによる広域観測を実現する．

Research Products

• [Int'l Joint Research] Tromsoe Geophysical Observatory(ノルウェー)
• [Int'l Joint Research] Swedish Institute of Space Physics(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] Sodankyla Geophysical Observatory/University of Oulu(フィンランド)
• [Journal Article] Observation of Source Plasma and Field Variations of a Substorm Brightening Aurora at <i>L</i> ???6 by a Ground‐Based Camera and the Arase Satellite on 12 October 2017 (2022)
  • Author(s): Chen L.et al.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 127 Issue: 11 Pages: 1-28
  • DOI: 10.1029/2021ja030072
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Reconstruction of precipitating electrons and three-dimensional structure of a pulsating auroral patch from monochromatic auroral images obtained from multiple observation points (2022)
  • Author(s): Fukizawa Mizuki、Sakanoi Takeshi、Tanaka Yoshimasa、Ogawa Yasunobu、Hosokawa Keisuke、Gustavsson Bj?rn、Kauristie Kirsti、Kozlovsky Alexander、Raita Tero、Br?ndstr?m Urban、Sergienko Tima
  • Journal Title: Annales Geophysicae Volume: 40 Issue: 4 Pages: 475-484
  • DOI: 10.5194/angeo-40-475-2022
• [Journal Article] An automated auroral detection system using deep learning: real-time operation in Troms?, Norway (2022)
  • Author(s): Nanjo Sota、Nozawa Satonori、Yamamoto Masaki、Kawabata Tetsuya、Johnsen Magnar G.、Tsuda Takuo T.、Hosokawa Keisuke
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 106-106
  • DOI: 10.1038/s41598-022-11686-8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Slow Contraction of Flash Aurora Induced by an Isolated Chorus Element Ranging From Lower‐Band to Upper‐Band Frequencies in the Source Region (2022)
  • Author(s): Ozaki Mitsunori、Yagitani Satoshi、Shiokawa Kazuo、Tanaka Yoshimasa、Ogawa Yasunobu、Hosokawa Keisuke、Kasahara Yoshiya、Ebihara Yusuke、Miyoshi Yoshizumi、Imamura Kousuke、Kataoka Ryuho、Oyama Shin‐ichiro、Chida Teppei、Kadokura Akira
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 49 Issue: 9
  • DOI: 10.1029/2021gl097597
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] On the Importance of Using Event‐Specific Wave Diffusion Rates in Modeling Diffuse Electron Precipitation (2022)
  • Author(s): Yu Yiqun、Hosokawa Keisuke、Ni Binbin、Jordanova Vania K.、Miyoshi Yoshizumi、Cao Jinbin、Tian Xingbin、Ma Longxing
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 127 Issue: 4
  • DOI: 10.1029/2021ja029918
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Proton aurora and relativistic electron microbursts scattered by electromagnetic ion cyclotron waves (2022)
  • Author(s): Shumko, M., B. Gallardo-Lacourt, A. J. Halford, L. W. Blum, J. Liang, Y. Miyoshi, K. Hosokawa, E. Donovan, I. R. Mann, K. Murphy et al.
  • Journal Title: Front. Astron. Space Sci. Volume: 15
  • DOI: 10.3389/fspas.2022.975123
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Studies of pulsating aurorae: simultaneous observations with the Arase satellite and optical instruments in the Arctic (2022)
  • Author(s): Hosokawa, K., Y. Miyoshi, M. Ozaki, S.-I. Oyama, Y. Ogawa, S. Kurita, Y. Kasahara, Y. Kasaba, S. Yagitani, S. Matsuda, F. Tsuchiya, A. Kumamoto, R. Kataoka, K. Shiokawa, Y. Tanaka, S. Nozawa, M. Teramoto, I. Shinohara, R. Fujii
  • Organizer: Seventh International Symposium on Arctic Research (ISAR-7)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Relationship between pulsating auroral electrons and duct propagation of chorus waves: Simultaneous observations with EISCAT (2022)
  • Author(s): Ito, Y., K. Hosokawa, Y. Ogawa, Y. Miyoshi, F. Tsuchiya, M. Fukizawa, K. Murase, S.-I. Oyama, S. Nakamura, Y. Kasahara, S. Matsuda, S. Kasahara, Y. Kazama, T. Hori, S. Yokota, K. Keika, S. Wang, S. W. Y. Tam, I. Shinohara
  • Organizer: Seventh International Symposium on Arctic Research (ISAR-7)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] AI とジンバルを用いたアクティブなオーロラ観測システムの開発と運用 (2022)
  • Author(s): 南條壮汰，Urban Brandstrom，津田卓雄，青木猛，細川敬祐
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会（SGEPSS）第 152 回総会及び講演会
• [Presentation] あらせ衛星，地上全天カメラ，EISCAT レーダーの磁気共役同時観測を用いた脈動オーロラ電子のエネルギー特性に関する研究 (2022)
  • Author(s): 伊藤ゆり，細川敬祐，小川泰信，三好由純，土屋史紀，吹澤瑞貴，村瀬清華，大山伸一郎，中村紗都子，笠原禎也，松田昇也，笠原慧，風間洋一，堀智昭，横田勝一郎，桂華邦裕，Shiang-Yu Wang，Sunny W. Y. Tam，篠原育
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会（SGEPSS）第 152 回総会及び講演会
• [Presentation] Overview of the ground-based optical observations during the LAMP rocket experiment in Alaska (2022)
  • Author(s): 細川敬祐，三好由純，浅村和史，坂野井健，三谷烈史，滑川拓，能勢正仁，小川 泰信
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会（SGEPSS）第 152 回総会及び講演会
• [Presentation] Simultaneous conjugate observations of the energy of pulsating auroral electrons by Arase satellite, ground-based all-sky imagers and EISCAT radar (2022)
  • Author(s): Ito, Y., K. Hosokawa, Y. Ogawa, Y. Miyoshi, K. Murase, M. Fukizawa, S.-I. Oyama, S. Nakamura, Y. Kasahara, S. Matsuda, S. Kasahara, Y. Kazama, T. Hori, S. Yokota, K. Keika, S. Wang, S. W. Y. Tam, I. Shinohara
  • Organizer: 20th International EISCAT Symposium 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] あらせ衛星，EMCCD 全天カメラ，EISCAT レーダーによる磁気共役同時観測を用いた脈動オーロラ電子のエネルギーに関する研究 (2022)
  • Author(s): 伊藤ゆり，細川敬祐，小川泰信，三好由純，大山伸一郎，中村紗都子，笠原禎也，松田昇也，篠原育
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合 (JpGU) 2022 年大会
• [Presentation] あらせ衛星，全天カメラ，広角デジタルカメラで捉えたサブストームオンセット直後の脈動オーロラ (2022)
  • Author(s): 南條壮汰，Olivier Staiger，門倉昭，田中良昌，片岡龍峰，三好由純，中村紗都子，小川泰信，笠原禎也，松田昇也，笠原慧，風間洋一，横田勝一郎，堀智昭，松岡彩子，桂華邦裕，Chae-Woo Jun，篠原育，細川敬祐
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合 (JpGU) 2022 年大会
• [Presentation] Studies of pulsating aurorae during Arase era (2022)
  • Author(s): K. Hosokawa, Y. Miyoshi, M. Ozaki, S.-I. Oyama, Y. Ogawa, S. Kurita, Y. Kasahara, Y. Kasaba, S. Yagitani, S. Matsuda, F. Tsuchiya, A. Kumamoto, R. Kataoka, K. Shiokawa, Y. Tanaka, S. Nozawa, M. Teramoto, I. Shinohara, R. Fujii
  • Organizer: 10th VERSIM Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited