新たな宇宙プラズマ観測手法「ドリフトエコーモニター」の提案と実証

• 研究課題/領域番号: 21K13978
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分17010:宇宙惑星科学関連
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 中村 紗都子 名古屋大学, 高等研究院(宇宙), 特任助教 (00870247)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 中途終了 (2022年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2022年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2021年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
• キーワード: 磁気圏 / プラズマ物理 / 放射線帯 / プラズマ波動

研究開始時の研究の概要

本研究の目的は「粒子ドリフトエコーホール」という現象を応用した宇宙プラズマの新たな観測手法の提唱および地球磁気圏での実証である。ドリフトエコーホールは申請者が観測例を初めて発見し報告したもので、磁気圏の局所かつ散発的な粒子加速の影響がドリフト下流で特徴的なフラックスとして検出されるものである。ドリフトエコーは上流の加速機構とドリフト中の背景プラズマの情報を含んでいるため、本申請ではエコーを磁気圏全体のモニターとして応用する手法を考案する。またその有用性の実証として地球磁気圏の各種素過程と放射線帯ダイナミクスの定量評価を試みる。

研究実績の概要

あらせ衛星、Van Allen Probes衛星、THEMIS衛星、また地上磁場観測データを使用して、本研究課題で提案した「磁気圏電子ドリフトエコー」が検出されたイベントを100例以上抽出した。これらは1分スケールで放射線帯電子（500 keV - 2 MeV）が急減したのちエネルギー分散が見られるもので、特にEMIC波動による粒子散乱が疑われるものに焦点をあてている。これらのイベントを仕分けし、EMIC波動との同時性や複数衛星での同時検出の有無、EMIC発生領域からの距離や地磁気活動度との関連を調べた。多くは地磁気擾乱時に昼側外部磁気圏で発生していることが示唆され、放射線帯電子を10%程度減少させていることがわかった。またこれらのイベント検出の経験から、３次元フラックスデータからドリフトエコーを自動抽出するプログラムを開発し、ドリフトエコーの時空間スケールとその時間発展を定量評価できるようにした。ドリフトエコーの時空間スケールは電子散乱の発生領域の広さと、ドリフトエコーの長さは電子散乱が効果的に発生したエネルギー範囲を、また時間発展はドリフト周回中の第三断熱不変量の破れによる粒子拡散の効果を示している。本年度は統計解析に向けたイベントの収集を終え、その磁気圏内での位置分布や磁気擾乱度との相関関係を調べている。以上の結果は論文にまとめるとともに、国際学会での招待講演などで広く発表している。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

ドリフトエコーの結果をCOSPAR（ギリシャ）、AGU（シカゴ）などの海外学会やサイエンス会議（東京）、SGEPSS（神奈川）などの国内研究会で発表し議論を重ねた。またこれらの成果が評価され、学会奨励賞の受賞や助成金の取得につながった。現在上記の成果を２本の投稿論文として投稿中である。

今後の研究の推進方策

2022年度に検出した多くの観測例と、並行して開発した自動検出プログラムを用いて、ドリフトエコーモニターの定量評価を行い、統計解析を行う。これらをまとめて、放射線帯の定常モニターツールとしての性能評価を行う。

研究成果

• [雑誌論文] Multi‐Event Analysis of Magnetosphere‐Ionosphere Coupling of Nighttime Medium‐Scale Traveling Ionospheric Disturbances From the Ground and the Arase Satellite (2023)
  • 著者名/発表者名: Kawai K.、Shiokawa K.、Otsuka Y.、Oyama S.、Connors M. G.、Kasahara Y.、Kasaba Y.、Nakamura S.、Tsuchiya F.、Kumamoto A.、Shinbori A.、Matsuoka A.、Shinohara I.、Miyoshi Y.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 128 号: 2
  • DOI: 10.1029/2022ja030542
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Phase Difference of Electron Cyclotron Harmonic (ECH) Waves Observed by Using the Interferometry Observation Mode of the Arase Satellite (2023)
  • 著者名/発表者名: Nakagawa T., et al.,
  • 雑誌名: URSI Radio Science Letters 巻: 4
  • DOI: 10.46620/22-0046
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Latitudinal dependence of ground VLF transmitter wave power in the inner magnetosphere (2023)
  • 著者名/発表者名: Xia Zhiyang、Chen Lunjin、Gu Wenyao、Horne Richard B.、Miyoshi Yoshizumi、Kasahara Yoshiya、Kumamoto Atsushi、Tsuchiya Fuminori、Nakamura Satoko、Kitahara Masahiro、Shinohara Iku
  • 雑誌名: Frontiers in Astronomy and Space Sciences 巻: 10
  • DOI: 10.3389/fspas.2023.1135509
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Direct Observations of Energetic Electron Scattering and Precipitation Due To Whistler‐Mode Waves in the Dayside High‐Density Regions (2023)
  • 著者名/発表者名: Sugo Shin、Kasahara Satoshi、Miyoshi Yoshizumi、Katoh Yuto、Keika Kunihiro、Yokota Shoichiro、Hori Tomoaki、Kasahara Yoshiya、Matsuda Shoya、Matsuoka Ayako、Shinohara Iku、Tsuchiya Fuminori、Kumamoto Atsushi、Nakamura Satoko、Kitahara Masahiro
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 128 号: 3 ページ: 1-12
  • DOI: 10.1029/2022ja030992
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Using Van Allen Probes and Arase Observations to Develop an Empirical Plasma Density Model in the Inner Zone (2023)
  • 著者名/発表者名: Hartley D. P.、Cunningham G. S.、Ripoll J.‐F.、Malaspina D. M.、Kasahara Y.、Miyoshi Y.、Matsuda S.、Nakamura S.、Tsuchiya F.、Kitahara M.、Kumamoto A.、Shinohara I.、Matsuoka A.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 128 号: 3
  • DOI: 10.1029/2022ja031012
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Off‐Equatorial Pi2 Pulsations Inside and Outside the Plasmapause Observed by the Arase Satellite (2022)
  • 著者名/発表者名: Teramoto M.、Miyoshi Y.、Matsuoka A.、Kasahara Y.、Kumamoto A.、Tsuchiya F.、Nos? M.、Imajo S.、Shoji M.、Nakamura S.、Kitahara M.、Shnohara I.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 127 号: 1 ページ: 1-18
  • DOI: 10.1029/2021ja029677
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Relation of the Plasmapause to the Midlatitude Ionospheric Trough, the Sub‐Auroral Temperature Enhancement and the Distribution of Small‐Scale Field Aligned Currents as Observed in the Magnetosphere by THEMIS, RBSP, and Arase, and in the Topside Ionosphere by Swarm (2022)
  • 著者名/発表者名: Heilig Bal?zs、Stolle Claudia、Kervalishvili Guram、Rauberg Jan、Miyoshi Yoshizumi、Tsuchiya Fuminori、Kumamoto Atsushi、Kasahara Yoshiya、Shoji Masafumi、Nakamura Satoko、Kitahara Masahiro、Shinohara Iku
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 127 号: 3
  • DOI: 10.1029/2021ja029646
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Simultaneous Observations of EMIC‐Induced Drifting Electron Holes (EDEHs) in the Earth's Radiation Belt by the Arase Satellite, Van Allen Probes, and THEMIS (2022)
  • 著者名/発表者名: Nakamura S.、Miyoshi Y.、Shiokawa K.、Omura Y.、Mitani T.、Takashima T.、Higashio N.、Shinohara I.、Hori T.、Imajo S.、Matsuoka A.、Tsuchiya F.、Kumamoto A.、Kasahara Y.、Shoji M.、Spence H.、Angelopoulos V.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 49 号: 5 ページ: 1-12
  • DOI: 10.1029/2021gl095194
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Statistical Survey of Arase Satellite Data Sets in Conjunction With the Finnish Riometer Network (2022)
  • 著者名/発表者名: Thomas. N.、Kero. A.、Miyoshi Y.、Shiokawa K.、Hyotyla M.、Raita T.、Kasahara Y.、Shinohara I.、Matsuda S.、Nakamura S.、Kasahara S.、Yokota S.、Keika K.、Hori T.、Mitani T.、Takashima T.、Asamura K.、Kazama Y.、Wang S.‐Y.、Jun C.‐W.、Higashio N.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 127 号: 5 ページ: 1-13
  • DOI: 10.1029/2022ja030271
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Modulation of the energetic electron distribution caused by toroidal mode ULF waves in association with periodic enhancement of whistler-mode chorus emissions (2022)
  • 著者名/発表者名: Ono Atsuhiro、Katoh Yuto、Teramoto Mariko、Hori Tomoaki、Kumamoto Atsushi、Tsuchiya Fuminori、Kasaba Yasumasa、Isono Ko、Miyoshi Yoshizumi、Kasahara Satoshi、Kasahara Yoshiya、Matsuda Shoya、Nakamura Satoko、Matsuoka Ayako、Yokota Shoichiro、Keika Kunihiro、Mitani Takefumi、Shinohara Iku
  • 雑誌名: - 巻: -
  • DOI: 10.1002/essoar.10511461.1
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Signatures of Auroral Potential Structure Extending Through the Near‐Equatorial Inner Magnetosphere (2022)
  • 著者名/発表者名: Imajo S.、Miyoshi Y.、Asamura K.、Shinohara I.、Nos? M.、Shiokawa K.、Kasahara Y.、Kasaba Y.、Matsuoka A.、Kasahara S.、Yokota S.、Keika K.、Hori T.、Shoji M.、Nakamura S.、Teramoto M.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 49 号: 10 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1029/2022gl098105
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Asymmetric Distributions of Auroral Kilometric Radiation in Earth's Northern and Southern Hemispheres Observed by the Arase Satellite (2022)
  • 著者名/発表者名: Xiao Fuliang、Tang Jiawen、Zhang Sai、Zhou Qinghua、Liu Si、He Yihua、Yang Qiwu、Kasahara Yoshiya、Miyoshi Yoshizumi、Kumamoto Atsushi、Nakamura Yosuke、Tsuchiya Fuminori、Shinohara Iku、Nakamura Satoko
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 49 号: 13
  • DOI: 10.1029/2022gl099571
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Analysis of Electron Precipitation and Ionospheric Density Enhancements Due To Hiss Using Incoherent Scatter Radar and Arase Observations (2022)
  • 著者名/発表者名: Ma Q.、Xu W.、Sanchez E. R.、Marshall R. A.、Bortnik J.、Reyes P. M.、Varney R. H.、Kaeppler S. R.、Miyoshi Y.、Matsuoka A.、Kasahara Y.、Matsuda S.、Tsuchiya F.、Kumamoto A.、Kasahara S.、Yokota S.、Keika K.、Hori T.、Mitani T.、Nakamura S.、Kazama Y.、Wang S.‐Y.、Jun C.‐W.、Shinohara I.、Tam S. W.‐Y.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 127 号: 8 ページ: 1-15
  • DOI: 10.1029/2022ja030545
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Quantifying the Size and Duration of a Microburst‐Producing Chorus Region on 5 December 2017 (2022)
  • 著者名/発表者名: Elliott S. S.、Breneman A. W.、Colpitts C.、Pettit J. M.、Cattell C. A.、Halford A. J.、Shumko M.、Sample J.、Johnson A. T.、Miyoshi Y.、Kasahara Y.、Cully C. M.、Nakamura S.、Mitani T.、Hori T.、Shinohara I.、Shiokawa K.、Matsuda S.、Connors M.、Ozaki M.、Manninen J.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 49 号: 15
  • DOI: 10.1029/2022gl099655
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A Calibration Method of Short‐Time Waveform Signals Passed Through Linear Time‐Invariant Systems: 1. Methodology and Simple Examples (2022)
  • 著者名/発表者名: Kitahara M., Matsuda S., Katoh Y., Kojima H., Kasahara Y., Miyoshi Y., Nakamura S., Hikishima M.
  • 雑誌名: Radio Science 巻: 57 号: 9
  • DOI: 10.1029/2022rs007454
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: Chen L.et al.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 127 号: 11 ページ: 1-28
  • DOI: 10.1029/2021ja030072
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Direct observations of energy transfer from resonant electrons to whistler-mode waves in magnetosheath of Earth (2022)
  • 著者名/発表者名: Kitamura N et al
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 号: 1 ページ: 6259-6259
  • DOI: 10.1038/s41467-022-33604-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A Statistical Study of the Solar Wind Dependence of Multi‐Harmonic Toroidal ULF Waves Observed by the Arase Satellite (2022)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 127 号: 1 ページ: 1-17
  • DOI: 10.1029/2021ja029840
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Statistical study of approaching strong diffusion of low-energy electrons by chorus and ECH waves based on in situ observations (2021)
  • 著者名/発表者名: M. Fukizawa, T. Sakanoi, Y. Miyoshi, Y. Kazama, Y. Katoh, Y. Kasahara, S. Matsuda, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, A. Matsuoka, S. Kurita, S. Nakamura, M. Shoji, M. Teramoto, S. Imajo, I. Shinohara, S.-Y. Wang, S. W.-Y. Tam, T.-F. Chang, B.-J. Wang, C.-W. Jun
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 127 号: 3 ページ: 1-12
  • DOI: 10.1029/2022ja030269
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Multipoint Measurement of Fine‐Structured EMIC Waves by Arase, Van Allen Probe A, and Ground Stations (2021)
  • 著者名/発表者名: Matsuda S.、Miyoshi Y.、Kasahara Y.、Blum L.、Colpitts C.、Asamura K.、Kasaba Y.、Matsuoka A.、Tsuchiya F.、Kumamoto A.、Teramoto M.、Nakamura S.、Kitahara M.、Shinohara I.、Reeves G.、Spence H.、Shiokawa K.、Nagatsuma T.、Oyama S.、Mann I. R.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 48 号: 23 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1029/2021gl096488
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Role of Ducting in Relativistic Electron Loss by Whistler‐Mode Wave Scattering (2021)
  • 著者名/発表者名: Artemyev A. V.、Demekhov A. G.、Zhang X.‐J.、Angelopoulos V.、Mourenas D.、Fedorenko Yu V.、Maninnen J.、Tsai E.、Wilkins C.、Kasahara S.、Miyoshi Y.、Matsuoka A.、Kasahara Y.、Mitani T.、Yokota S.、Keika K.、Hori T.、Matsuda S.、Nakamura S.、Kitahara M.、Takashima T.、Shinohara I.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 126 号: 11
  • DOI: 10.1029/2021ja029851
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] First Simultaneous Observation of a Night Time Medium‐Scale Traveling Ionospheric Disturbance From the Ground and a Magnetospheric Satellite (2021)
  • 著者名/発表者名: Kawai K.、Shiokawa K.、Otsuka Y.、Oyama S.、Kasaba Y.、Kasahara Y.、Tsuchiya F.、Kumamoto A.、Nakamura S.、Matsuoka A.、Imajo S.、Kazama Y.、Wang S.‐Y.、Tam S. W. Y.、Chang T. F.、Wang B. J.、Asamura K.、Kasahara S.、Yokota S.、Keika K.、Hori T.、Miyoshi Y.、Jun C.、Shoji M.、Shinohara I.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 126 号: 9
  • DOI: 10.1029/2020ja029086
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Evening Side EMIC Waves and Related Proton Precipitation Induced by a Substorm (2021)
  • 著者名/発表者名: Yahnin A. G.、Popova T. A.、Demekhov A. G.、Lubchich A. A.、Matsuoka A.、Asamura K.、Miyoshi Y.、Yokota S.、Kasahara S.、Keika K.、Hori T.、Tsuchiya F.、Kumamoto A.、Kasahara Y.、Shoji M.、Kasaba Y.、Nakamura S.、Shinohara I.、Kim H.、Noh S.、Raita T.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 126 号: 7
  • DOI: 10.1029/2020ja029091
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Energy Transfer Between Hot Protons and Electromagnetic Ion Cyclotron Waves in Compressional Pc5 Ultra‐low Frequency Waves (2021)
  • 著者名/発表者名: Kitamura N.、Shoji M.、Nakamura S.、Kitahara M.、Amano T.、Omura Y.、Hasegawa H.、Boardsen S. A.、Miyoshi Y.、Katoh Y.、Teramoto M.、Saito Y.、Yokota S.、Hirahara M.、Gershman D. J.、Giles B. L.、Russell C. T.、Strangeway R. J.、Ahmadi N.、Lindqvist P.‐A.、Ergun R. E.、Fuselier S. A.、Burch J. L.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 126 号: 5 ページ: 1-25
  • DOI: 10.1029/2020ja028912
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Progress of Japan's action against extreme space weather (2022)
  • 著者名/発表者名: 中村 紗都子
  • 学会等名: AGU Fall Meeting 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Roles of ion hole and hill in a triggering process of EMIC rising-tone emissions (2022)
  • 著者名/発表者名: Satoko Nakamura,Yoshizumi Miyoshi,Masafumi Shoji,Masahiro Kitahara
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会 第152回総会及び講演会
• [学会発表] Drastic time variations of transfer function of geomagnetically induced current (GIC) in Japan (2022)
  • 著者名/発表者名: Satoko Nakamura,Yusuke Ebihara,Shinichi Watari,Tadanori Goto
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会 第152回総会及び講演会
• [学会発表] SIMULTANEOUS OBSERVATIONS OF EMIC-INDUCED DRIFTING ELEC- TRON HOLES (EDEHS) IN THE EARTH’S RADIATION BELT BY THE ARASE SATELLITE, VAN ALLEN PROBES, AND THEMIS (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Nakamura,Y. Miyoshi,K. Shiokawa,Y. Omura,T. Mitani,T. Takashima,N. Higashio,I. Shinohara,T. Hori,S. Imajo,A. Matsuoka,F. Tsuchiya,A. Kumamoto,Y. Kasahara,M. Shoji,H. Spence,V. Angelopoulos
  • 学会等名: 44th COSPAR Scientific Assembly 2022
  • 国際学会
• [学会発表] あらせ,Van Allen Probes,THEMIS衛星による放射線帯電子Drifting Wormhole Structure の同時検出 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中村紗都子
  • 学会等名: Pulsating Aurora Workshop
• [学会発表] Effects of the satellite body on the spin-modulated component of the satellite potential asobserved by the Arase satellite (2022)
  • 著者名/発表者名: Satoko Nakamura
  • 学会等名: The 16th Spacecraft Charging Technology
  • 国際学会
• [学会発表] Spin-modulated components in Electric Field Detector (EFD) of Plasma Wave Experiment (PWE) aboard the Arase satellite (2021)
  • 著者名/発表者名: Satoko Nakamura
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2021
  • 国際学会
• [学会発表] あらせ衛星の直方体形状による衛星電位スピン変調と衛星表面帯電モデルとの比較 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中村 紗都子
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会 第150回総会・講演会
• [学会発表] Drifting Wormhole Structures observed in the Earth’s Radiation Belt (2021)
  • 著者名/発表者名: Satoko Nakamura
  • 学会等名: IAGA- IASPEI 2021
  • 国際学会
• [学会発表] あらせ衛星の直方体形状による衛星電位スピン変調と衛星表面帯電モデルとの比較 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中村紗都子
  • 学会等名: 第15回ERGサイエンス会議/内部磁気圏研究集会
• [学会発表] Effects of the satellite body on the spin-modulated component of the satellitepotential as observed by the Arase satellite (2021)
  • 著者名/発表者名: Satoko Nakamura
  • 学会等名: AGU 2021
  • 国際学会