An observational and numerical simulation study of plasma instability related with substorm injections and ULF wave excitation

• Project/Area Number: 22KJ0532
• Project/Area Number (Other): 21J00921 (2021-2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2021-2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 17010:Space and planetary sciences-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 山本 和弘 東京大学, 大学院理学系研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
• Keywords: 内部磁気圏 / リングカレント / ULF波動 / MHD波動 / ドリフトバウンス共鳴 / ブラソフ方程式 / リングカレントモデル / プラズマ不安定性 / サブストーム / Van Allen Probes衛星 / あらせ衛星

Outline of Research at the Start

太陽系惑星の中において、私たちの地球は大気に由来する高電気伝導度の電離圏とともに、その強い固有磁場によって形成される巨大な磁気圏を兼ね備えている。これらの複数のグローバルな領域が結合することで生じる電磁波動現象として、磁気圏イオンのプラズマ不安定で励起する超低周波（ULF）波動がある。本研究では、衛星観測を入力パラメータとして利用しつつ数値シミュレーションを行い、従来の単一衛星による観測では解明することの難しいプラズマ不安定性とULF波動の励起、ならびに磁気圏イオンの変動を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、RBSPs衛星で観測されたpoloidal ULF波動の励起メカニズムならびに粒子の拡散過程について、数値シミュレーションを行うことでそのメカニズムを解明することである。本年度は、昨年度に引き続電離圏ポテンシャルモデルとモデル結合したドリフト運動論的グローバルシミュレーションを実施した。境界条件の設定時に生じた人工的な振動を除去するためのプログラムの改良を行ったところ、以前のシミュレーション結果で見られていた波数が大きく波動粒子相互作用で励起している可能性があるcompressionalな磁場変動は確認されなくなった。また、サブストームの回復相においてRegion-1 field-aligned currentの時空間変化が起こると同時にradial方向の磁場振動が認められた。磁力線沿いの擾乱の伝搬についてみてみると、南半球から発生したAlfvenicな擾乱が北向きに伝搬していることが分かった。以上の内容をJpGU2023、URSI2023、SGEPSS2023学会にて発表した。
またdrift-compressional modeの励起についてあらせ衛星のデータ解析を行い、共鳴イオンの位相空間密度の空間勾配が引き起こすdrift共鳴不安定によって励起することを示した。この内容についてはGeophysical Research Letters誌に投稿・掲載された。
研究時間全体を通して、観測で見られたpoloidal ULF 波動を再現するには至っておらず、シミュレーションモデルで考慮されていない物理過程が重要であることが示唆された。また、太陽風による擾乱源がないにも関わらずtoroidal ULF波動が見られることは、従来考えられている励起メカニズムに再考を迫るものである。

Research Products

• [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 Issue: 8 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1029/2023gl107707
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A Statistical Study of the Solar Wind Dependence of Multi‐Harmonic Toroidal ULF Waves Observed by the Arase Satellite (2022)
  • Author(s): Yamamoto K.、Seki K.、Matsuoka A.、Imajo S.、Teramoto M.、Kitahara M.、Kasahara Y.、Kumamoto A.、Tsuchiya F.、Shoji M.、Nakamura S.、Miyoshi Y.、Shinohara I.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 127 Issue: 1 Pages: 1-17
  • DOI: 10.1029/2021ja029840
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] A drift kinetic simulation of internally driven ULF waves based on multi-point spacecraft observations in the ionosphere and the magnetosphere (2023)
  • Author(s): Kazuhiro Yamamoto, Kanako Seki, Tomotsugu Yamakawa, Takanobu Amano, Aoi Nakamizo, and Yoshizumi Miyoshi
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Excitation of drift-compressional mode waves by drift resonance with ring current ions: Arase observation (2023)
  • Author(s): Kazuhiro Yamamoto, A.V. Rubtsov, D. V. Kostarev, P. N. Mager, D. Yu. Klimushkin, M. Nose, A. Matsuoka, K. Asamura, Y. Miyoshi, S. Yokota, S. Kasahara, Y. Kasahara, and I. Shinohara
  • Organizer: The 28th IUGG General Assembly
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Excitation of drift-compressional mode waves by drift resonance with ring current ions: Arase observation (2023)
  • Author(s): Kazuhiro Yamamoto, A.V. Rubtsov, D. V. Kostarev, P. N. Mager, D. Yu. Klimushkin, M. Nose, A. Matsuoka, K. Asamura, Y. Miyoshi, S. Yokota, S. Kasahara, Y. Kasahara, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, M. Shoji, S. Nakamura, and I. Shinohara
  • Organizer: Asia Oceania Geosciences Society 20th Annual Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] A drift kinetic simulation of internally driven ULF waves based on multi-point spacecraft observations in the ionosphere and the magnetosphere (2023)
  • Author(s): Kazuhiro Yamamoto, Kanako Seki, Tomotsugu Yamakawa, Takanobu Amano, Aoi Nakamizo, and Yoshizumi Miyoshi
  • Organizer: URSI GASS 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A drift kinetic simulation of ULF wave excitation based on multi-point spacecraft observations in the ionosphere and the magnetosphere (2023)
  • Author(s): Kazuhiro Yamamoto, Kanako Seki, Tomotsugu Yamakawa, Takanobu Amano, Aoi Nakamizo, and Yoshizumi Miyoshi
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会 2023年秋季年会
• [Presentation] Excitation of ULF waves and transport of plasma through wave-particle interaction in the Earth’s magnetosphere (2023)
  • Author(s): Kazuhiro Yamamoto, A.V. Rubtsov, D. V. Kostarev, P. N. Mager, D. Yu. Klimushkin, M. Nose, A. Matsuoka, K. Asamura, Y. Miyoshi, S. Yokota, S. Kasahara, Y. Kasahara, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, M. Shoji, S. Nakamura, and I. Shinohara
  • Organizer: 7th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
• [Presentation] Excitation of drift-compressional mode waves by drift resonance with ring current ions: Arase observation (2023)
  • Author(s): Kazuhiro Yamamoto, A.V. Rubtsov, D. V. Kostarev, P. N. Mager, D. Yu. Klimushkin, M. Nose, A. Matsuoka, K. Asamura, Y. Miyoshi, S. Yokota, S. Kasahara, Y. Kasahara, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, M. Shoji, S. Nakamura, and I. Shinohara
  • Organizer: 第１８回ERGサイエンス会議／名大ISEE共同研究集会
• [Presentation] A drift-kinetic simulation study of excitation of ULF waves based on the observations of the field-aligned current and the ring current ions (2022)
  • Author(s): Kazuhiro Yamamoto, K. Seki, T. Amano, A. Nakamizo, Y. Miyoshi, and T. Yamakawa
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A Drift-kinetic Simulation Study of Poloidal ULF Wave Excitation Based on the Observations of Field-aligned Current and Ring Current Ions (2022)
  • Author(s): Kazuhiro Yamamoto, K. Seki, T. Amano, A. Nakamizo, Y. Miyoshi, and T. Yamakawa
  • Organizer: AOGS2022 19th Annual Meeting (VIRTUAL)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Drift-kinetic simulation study of ULF wave excitation based on the field-aligned current and ring current observations (2022)
  • Author(s): Kazuhiro Yamamoto, K. Seki, T. Amano, A. Nakamizo, Y. Miyoshi, and T. Yamakawa
  • Organizer: The 152nd SGEPSS General Assembly 2022
• [Presentation] Controlling factors of the occurrence of multi-harmonic toroidal ULF waves: A statistical study of the Arase satellite observations (2021)
  • Author(s): YAMAMOTO Kazuhiro, K. Seki, A. Matsuoka, S. Imajo, M. Teramoto, Y. Kasahara, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, M. Shoji, Y. Miyoshi, I. Shinohara
  • Organizer: JpGU2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A statistical study of the solar wind dependence of multi-harmonic toroidal ULF waves observed by the Arase satellite (2021)
  • Author(s): YAMAMOTO Kazuhiro, K. Seki, A. Matsuoka, S. Imajo, M. Teramoto, Y. Kasahara, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, M. Shoji, S. Nakamura, Y. Miyoshi, I. Shinohara
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Second harmonic poloidal standing Alfven waves excited by a steep gradient of proton phase space density at the edge of the nose structure (2021)
  • Author(s): Kazuhiro Yamamoto, K. Seki, M. Nose, A. Mastuoka, M. Teramoto, R. Nomura, S. Kasahara, S. Yokota K. Keika, K. Asamura, Y. Kasahara, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, M. Shoji, Y. Miyoshi, I. Shinohara, H. Spence, and G. Reeves
  • Organizer: IAGA-IASPEI 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Radial transport of ring current protons by second harmonic poloidal standing Alfven waves: Arase and RBSP-B observations (2021)
  • Author(s): Kazuhiro Yamamoto, K. Seki, M. Nose, A. Mastuoka, M. Teramoto, R. Nomura, S. Kasahara, S. Yokota K. Keika, K. Asamura, Y. Kasahara, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, M. Shoji, Y. Miyoshi, I. Shinohara, H. Spence, and G. Reeves
  • Organizer: SGEPSS秋学会2021