ディフューズオーロラ現象が放射線帯高エネルギー電子降下に与える影響の解明

• 研究課題/領域番号: 21H04526
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 中区分17:地球惑星科学およびその関連分野
• 研究機関: 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
• 研究代表者: 淺村 和史 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, 准教授 (50321568)
• 研究分担者: 三好 由純 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 教授 (10377781) ; 細川 敬祐 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (80361830)
• 研究期間 (年度): 2021-04-05 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 41,990千円 (直接経費: 32,300千円、間接経費: 9,690千円); 2024年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2023年度: 14,300千円 (直接経費: 11,000千円、間接経費: 3,300千円); 2022年度: 12,090千円 (直接経費: 9,300千円、間接経費: 2,790千円); 2021年度: 12,610千円 (直接経費: 9,700千円、間接経費: 2,910千円)
• キーワード: 高エネルギー電子降下 / 放射線帯 / オーロラ / 観測ロケット / 脈動オーロラ

研究開始時の研究の概要

本研究は、オーロラ活動に伴う宇宙空間からの高エネルギー電子の深貫入によって、高度数十kmの中間圏のオゾンが破壊されるという新しい仮説を実証し、オーロラ活動とオゾン破壊との関係を定量的に明らかにすることを目的とする。この目的のために、北欧に新設される大型大気レーダーによる三次元電子密度計測を軸に、我が国の「あらせ」衛星による宇宙空間観測、地上からのオーロラ光学観測、観測ロケットによるオーロラ電子計測、そして宇宙空間と大気圏をつなぐシミュレーションによる統合研究を実施する。

研究実績の概要

脈動オーロラは、数keVから数十keVのエネルギーを持つ電子が、宇宙空間から地球の超高層大気に向かって間欠的に降り込んでくることで発生すると考えられている。一方、脈動オーロラ発生時には、よりエネルギーの高い、準相対論的高エネルギー電子も同時に降り込んでいるというモデルが提案されている。私たちは米国 NASA の観測ロケット計画 LAMP に提案段階から参加し、高エネルギー電子観測器、オーロラカメラなどの観測機器パッケージ (PARM2) を開発・搭載した。LAMP は 2022年3月5日にアラスカ・ポーカーフラットから打ち上げられ、脈動オーロラ中の飛翔に成功した。そして脈動オーロラにともなって降りこむ準相対論的高エネルギー電子の検出にも成功した。

本研究では、LAMP計画をさらに進め、オーロラ活動に伴う宇宙空間からの高エネルギー電子の深貫入によって、高度数十kmの中間圏のオゾンが破壊されるという新しい仮説を実証し、オーロラ活動とオゾン破壊との関係を定量的に明らかにすることも目的としている。この目的のために、北欧に新設される大型大気レーダー (EISCAT_3D) による三次元電子密度計測を軸に、我が国の「あらせ」衛星による宇宙空間観測、地上からのオーロラ光学観測、観測ロケットによるオーロラ電子計測、そして宇宙空間と大気圏をつなぐシミュレーションによる統合研究を実施する。このため、米国側研究者と共同で米国 NASA に LAMP-2 観測ロケット計画の提案準備を行った

また、LAMP-2 搭載用観測機器の開発に着手し、検出器を選定・購入、さらに性能確認を進めた。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

LAMP 観測ロケットは成功裏に打ちあがり、脈動オーロラ中で間欠的に降りこむ準相対論的高エネルギー電子の検出や脈動オーロラ発光に関連する電離層電流の検出に成功した。これらの成果は国際学術誌に投稿し、査読中となっている。

LAMP-2 観測ロケット計画については、新型コロナウイルス感染症の影響による出張抑制などもあり、米国側との仕様調整などの提案準備は 2022年度まで要した。一方で、NASA の観測ロケット公募が 2023年1月応募締め切り分まで発出されなかった。このため、LAMP-2 提案書の提出は 2023年1月となった。

また、LAMP-2 搭載観測器開発について、高エネルギー粒子観測器、オーロラカメラのセンサー部の開発に着手した。高エネルギー粒子検出に用いる半導体検出器 (SSD) を選定・購入し性能確認を進めたほか、オーロラカメラについても受光部 CCDセンサー、レンズの性能確認を進めた。ただし、NASA の観測ロケット公募発出自体が遅れたため、日本側機器の開発状況に問題はない。

今後の研究の推進方策

脈動オーロラ、準相対論的電子の降りこみ、オゾン破壊の同時発生を観測的に実証することを目指し、LAMP-2 観測ロケット搭載に向けた観測機器開発を継続する。2023年度には NASA 観測ロケット計画公募の採択結果が開示される予定であり、採択された場合にはNASA 側と詳細な仕様調整、インターフェース調整を始め、機器設計にも随時反映する。万一不採択となった場合には、次回公募に応募すべく、準備を行う。

また、LAMP-2 計画では EISCAT_3D やオーロラ光学観測網などの地上支援観測も重要である。すでに設置済みの観測点に加え、打ち上げ期間にのみ臨時に設置する観測点も必要となる見込みであり、現地研究者を交え、検討を詳細化してゆく。特に EISCAT_3D は 2023年度から稼働を開始する予定であり、本格稼働に向けた準備が進められている。本研究ではロケット飛翔領域の三次元電子密度計測するパルススキームの開発を行う。さらに、北欧で行ってきたオーロラ撮像を継続し、観測ロケット実験時の地上支援観測に供するとともに、「あらせ」衛星と地上観測機器との共同観測を実施する。

また、プラズマ波動と電子との相互作用を再現するシミュレーション（Saito et al., 2012）、その結果を入力する大気電離およびオーロラ発光計算（Ono, 1993）、および大気化学計算（Turunen et al., 2009）を結合した統合シミュレーションコードの開発を進める。

研究成果

• [国際共同研究] NASA/University of New Hampshire/University of Iowa(米国)
• [雑誌論文] Cross-Energy Couplings from Magnetosonic Waves to Electromagnetic Ion Cyclotron Waves through Cold Ion Heating inside the Plasmasphere (2021)
  • 著者名/発表者名: Asamura Kazushi, Shoji Masafumi, Miyoshi Yoshizumi, Kasahara Yoshiya, Kasaba Yasumasa, Kumamoto Atsushi, Tsuchiya Fuminori, Matsuda Shoya, Matsuoka Ayako, Teramoto Mariko, Kazama Yoichi, Shinohara Iku
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 127 号: 24 ページ: 245101-245101
  • DOI: 10.1103/physrevlett.127.245101
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] The LAMP sounding rocket mission; in-situ observations of microburst electron precipitations associated with pulsating aurorae (2022)
  • 著者名/発表者名: 浅村和史、三好由純、細川敬祐、滑川拓、三谷烈史、坂野井健、川村美季、能勢正仁、野村麗子、寺本万里子
  • 学会等名: 第152回地球電磁気・地球惑星圏学会総会・講演会
• [学会発表] LAMPロケット搭載多波長オーロラカメラAIC2による脈動オーロラの観測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 坂野井健、浅村和史、三好由純、細川敬祐、滑川拓、三谷烈史、能勢正仁、野村麗子、寺本万里子、Lessard Marc、Halford Alexa
  • 学会等名: 第152回地球電磁気・地球惑星圏学会総会・講演会
• [学会発表] Field-aligned currents associated with pulsating auroral patches: Observation with Magneto-Impedance Magnetometer on board LAMP (2022)
  • 著者名/発表者名: 能勢正仁、野村麗子、寺本万里子、浅村和史、細川敬祐、三好由純、三谷烈史、坂野井健、滑川拓、河野剛健、岩永吉広、平原聖文
  • 学会等名: 第152回地球電磁気・地球惑星圏学会総会・講演会
• [学会発表] 観測パッケージPARM-HEPによる脈動オーロラに伴うマイクロバースト現象の観測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 滑川拓、三谷烈史、浅村和史、三好由純、細川敬祐、坂野井健、川村美季、能勢正仁、野村麗子、寺本万里子、小川泰信
  • 学会等名: 第152回地球電磁気・地球惑星圏学会総会・講演会
• [学会発表] Overview of the ground-based optical observations during the LAMP rocket experiment in Alaska (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第152回地球電磁気・地球惑星圏学会総会・講演会
• [学会発表] Estimating the altitude of pulsating aurora emission: triangulation from three ground-based stations during the LAMP rocket experiment (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Hosokawa, Y. Miyoshi, M.G.McHarg, V. Ledvina, D. Hampton, M. Shumko, K. Asamura, T. Sakanoi, T. Mitani, T, Namekawa, M. Nose, Y. Ogawa, M. Lessard, A. J, Halford, A. N. Jaynes
  • 学会等名: 2022 AGU Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Wide energy electron precipitation during pulsating aurora: LAMP sounding rocket experiment and computer simulation (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Miyoshi, K. Asamura, K. Hosokawa, T. Mitani, T. Namekawa, S. Saito, K. Takahashi, T. Sakanoi, M. Nose, M. Lessard, A. J. Halford, M. Shumko, M. McHarg, D.L. Hampton, A.N. Jaynes, V. Ledvina, K. Lynch, H. Kim, E. Spanswick, R. Troyer. N. Godbole
  • 学会等名: 2022 AGU Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Observation of pulsating auroras with a multi-spectral auroral camera AIC2 on the LAMP rocket (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Sakanoi, K. Asamura, M. Lessard, A.J. Halford, Y. Miyoshi, K. Hosokawa, T. Namekawa, T. Mitani, M. Nose;, D.L. Hampton, M. Shumko, A.N. Jaynes, M.G. McHarg
  • 学会等名: 2022 AGU Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Spatial and Temporal Scales of Pulsating Aurora during the Loss Through Auroral Microburst Pulsations (LAMP) Rocket Mission (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Mandyam, M.G. McHarg, A.J. Halford, K. Asamura, N. Godbole, D.L. Hampton, K. Hosokawa, A.N. Jaynes, H. Kim, V. Ledvina, M. Lessard, K. Lynch, Y. Miyoshi, T. Namekawa, S. Noh, N. Masahito, N. Paschalidis, T. Sakanoi, M. Shumko, E. Spanswick, R. Troyer, P. Uribe, J. van Irsel, J. Williams
  • 学会等名: 2022 AGU Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] The Loss through Auroral Microburst Pulsations (LAMP) rocket mission: Multiplatform, multipoint measurements to study microbursts and pulsating aurora (2022)
  • 著者名/発表者名: A. Halford, M. Lessard, K. Lynch, Y. Miyoshi, A. Jaynes, M. McHarg, K. Asamura, K. Hosokawa, T. Sakanoi, N. Paschalidis, M. Nose, P. Uribe, T. Namekawa, M. Shumko, R. Troyer, J. van Irsel, D. Hampton, E. Spanswick, H. Kim, R. Varney, J. Kujawski, M. Mandyam, Y. Shin, N. Godbole, S. Noh, J. Williams
  • 学会等名: 2022 AGU Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] コーラスの伝搬特性と脈動オーロラ-マイクロバースト降り込み電子の関係 (2021)
  • 著者名/発表者名: 三好由純、齋藤慎司、遠山航平、栗田玲、細川敬祐、浅村和史、高橋一輝
  • 学会等名: 第150回地球電磁気・地球惑星圏学会総会・講演会
• [学会発表] Simultaneous pulsating aurora and microburst observations with ground-based fast auroral imagers and CubeSat FIREBIRD-II (2021)
  • 著者名/発表者名: 川村美季、坂野井健、吹澤瑞貴、三好由純、細川敬祐、土屋史紀、加藤雄人、小川泰信、浅村和史、齊藤慎司、Harlan Spence、Arlo Johnson、大山伸一郎、Brandstorm Urban
  • 学会等名: 第150回地球電磁気・地球惑星圏学会総会・講演会
• [備考] LAMP観測ロケットが脈動オーロラに命中しました
  • URL: https://www.isas.jaxa.jp/home/research-portal/news/2022/0316/