光と電波を用いた国際共同観測によって明らかにするジオスペース電子降下の時空間変動

• 研究課題/領域番号: 21KK0059
• 研究種目: 国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B))
• 配分区分: 基金
• 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: 電気通信大学
• 研究代表者: 細川 敬祐 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (80361830)
• 研究分担者: 大山 伸一郎 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 講師 (20444424) ; Martinez・Calderon Claudia 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 准教授 (30847231) ; 田中 良昌 国立極地研究所, 研究教育系, 准教授 (50425766)
• 研究期間 (年度): 2021-10-07 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 19,240千円 (直接経費: 14,800千円、間接経費: 4,440千円); 2025年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円); 2024年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円); 2023年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円); 2022年度: 6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円); 2021年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
• キーワード: ジオスペース / 電子降下 / オーロラ / 電波計測 / 光学観測

研究開始時の研究の概要

国際共同の枠組みによって，新たな「光と電波を用いた広域観測網」を構築し，オーロラと降下電子の双方を広い領域で面的に観測する．代表者らが北欧で継続してきた高時間分解能光学観測と，フィンランドとの協働によって設置をするリオメータや VLF 電波観測， 化学シミュレーションを組み合わせることによって，オーロラに伴うジオスペース電子降下の時空間変動，オーロラの形態による特性の違い，大気への影響を定量的に明らかにする．

研究実績の概要

国際共同の枠組みによって，新たな「光と電波を用いた広域観測網」を構築し，オーロラと降下電子の双方を広い領域で面的に観測することを目的として，フィンランドへの電波観測機器の設置・運用を行ってきた．リオメータの設置については，海外研究協力者であるソダンキラ地球物理観測所（Sodankyla Geophysical Observatory: SGO）の Antti Kero 博士と連携し，2022 年 10 月にフィンランド北西部のキルピスヤルビに 1 式の多周波リオメータを設置し，観測を開始した．キルピスヤルビの電磁環境は良好で，機器の設置後約半年にわたって継続的に良質のデータが取得できている．また，VLF 受信観測についても，SGO の Jyrki Manninen 博士のサポートを受け，2022 年 10 月にフィンランド南部のオウルヤルビに機器の設置を行うことができた．さらに，2023 年 10 月にはオウルヤルビに 2 式目の多周波リオメータを設置して観測を開始している．オウルヤルビの電磁環境は良好で，質の良い自然電磁波の計測を行うことができている．すでに北欧 5 地点において実施している高感度カメラによる光学観測については，2024 年冬季シーズンの観測を継続した．欧州非干渉散乱レーダー（EISCAT レーダー）による特別実験も実施し，ジオスペースからの電子降下に伴う低高度電離現象の事例を多数得ることができている．今後観測を開始するリオメータや VLF 電波観測，化学シミュレーションを組み合わせることによって，オーロラに伴うジオスペース電子降下の時空間変動，オーロラの形態による特性の違い，大気への影響を定量的に明らかにすることが期待できる．

現在までの達成度

2: おおむね順調に進展している

理由

北欧 5 地点における光学観測を継続し 2024 年度冬季シーズンまでの 3 年にわたって良好なデータを得ることができた．また，2022 年 10 月に実施した機器設置作業の後，キルピスヤルビ，オウルヤルビにおける 2 式の多周波リオメータ観測，オウルヤルビにおける VLF 電波観測を問題なく継続することができている．特に，2023 年 3 月，および 2024 年 3 月，5 月，10 月に発生した磁気嵐の期間中に，リオメータにおいて放射線帯電子の降下を示唆する電波吸収を検出することに成功している．さらに，VLF 電波観測では同時に磁気圏の波動現象を観測することができている．これらのデータと欧州非干渉散乱レーダーのデータを組み合わせることで，ジオスペースからの電子降下現象を多角的に解析することが期待できる．現在はリオメータによって得られた吸収スペクトルの形状から，降下電子のエネルギーを導出する作業を行っている．これらのことから，本計画はおおむね順調に進展していると言うことができる．

今後の研究の推進方策

北欧 5 地点における光学観測を継続し，研究期間中にさらに 1 回の「冬季集中観測」を実施する．観測の実施やデータの回収は，代表者の細川および大学院生が毎年現地に出張することによって行う．2023 年度までに，計画していた電波観測機器の設置は完了したため，2025 年度は得られたデータの解析，および論文としての公表に注力する．特に，データから降下電子エネルギースペクトルに関する情報の抽出を行う．VLF 受信機については，オウルヤルビにおける定常観測を継続する．得られた波動データからサイクロトロン共鳴の条件を仮定して降下電子エネルギーを算出する．SGO の Kero 博士，Turunen 博士を中心に，電子降下による HOx, NOx, オゾンなどの大気微量成分の生成，消滅過程を再現する化学反応シミュレーションを実データを入力にする形に整備する．それらに基づいて，リオメータや VLF 観測からのインプットに基づいた計算を実施し，大気微量成分の変動を再現し，粒子降下の影響を評価する．

研究成果

• [国際共同研究] Sodankyla Geophysical Observatory/University of Oulu(フィンランド)
• [国際共同研究] Swedish Institute of Space Physics(スウェーデン)
• [国際共同研究] Tromsoe Geophysical Observatory(ノルウェー)
• [国際共同研究] Sodankyla Geophysical Observatory/University of Oulu(フィンランド)
• [国際共同研究] Swedish Institute of Space Physics(スウェーデン)
• [国際共同研究] ノルウェーTromsoe Geophysical Observatory(ノルウェー)
• [国際共同研究] Sodankyla Geophysical Observatory/University of Oulu(フィンランド)
• [国際共同研究] Swedish Institute of Space Physics(スウェーデン)
• [国際共同研究] Tromsoe Geophysical Observatory(ノルウェー)
• [国際共同研究] Sodankyla Geophysical Observatory/University of Oulu(フィンランド)
• [国際共同研究] Swedish Institute of Space Physics(スウェーデン)
• [国際共同研究] Tromsoe Geophysical Observatory(ノルウェー)
• [雑誌論文] Thermospheric wind response to March 2023 storm: Largest wind ever observed with a Fabry-Perot interferometer in Tromsoe, Norway since 2009. (2024)
  • 著者名/発表者名: Oyama, S., Vanhamaki, H., Cai, L., Shinbori, A., Hosokawa, K., Sakanoi, T., et al.
  • 雑誌名: Space Weather 巻: 22 号: 3
  • DOI: 10.1029/2023sw003728
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Post-midnight purple arc and patches appeared on the high latitude part of the auroral oval: Dawnside counterpart of STEVE? (2024)
  • 著者名/発表者名: Sota Nanjo、Gabriel Arne Hofstra、Kazuo Shiokawa、Atsuki Shinbori、Satonori Nozawa、Keisuke Hosokawa
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 76 号: 1
  • DOI: 10.1186/s40623-024-01995-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Exceptionally gigantic aurora in the polar cap on a day when the solar wind almost disappeared (2024)
  • 著者名/発表者名: K. Hosokawa, R. Kataoka, T. T. Tsuda, Y. Ogawa, S. Taguchi, Y. Zhang, and L. J. Paxton
  • 雑誌名: Sci. Adv. 巻: 10 号: 25 ページ: 25-25
  • DOI: 10.1126/sciadv.adn5276
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Observational evidence for 1 three time-scale modulations in the pulsating aurora (2024)
  • 著者名/発表者名: Chen, R., Y. Miyoshi, X. Gao, Q. Lu, B. Tsurutani, K. Hosokawa, H. Chen, T. Hori, Y. Ogawa, S. Oyama, Y. Kasahara, S. Matsuda, et al.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 51 号: 16
  • DOI: 10.1029/2024gl108253
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] On the factors controlling the relationship between type of pulsating aurora and energy of pulsating auroral electrons: Simultaneous observations by Arase satellite, ground-based all-sky imagers and EISCAT radar (2024)
  • 著者名/発表者名: Ito, Y., K. Hosokawa, Y. Ogawa, Y. Miyoshi, F. Tsuchiya, M. Fukizawa, Y. Kasaba, Y. Kazama, S. Oyama, K. Murase, S. Nakamura, et al.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 129 号: 7
  • DOI: 10.1029/2024ja032617
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Variation of the Altitude of Auroral Emission During a Substorm Cycle: Stereoscopic Optical Observations During the LAMP Rocket Experiment (2024)
  • 著者名/発表者名: Hosokawa K.、Miyoshi Y.、Mcharg M.、Ledvina V.、Hampton D.、Lessard M.、Shumko M.、Asamura K.、Sakanoi T.、Mitani T.、Namekawa T.、Nos? M.、Ogawa Y.、Jaynes A.、Halford A.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 129 号: 11
  • DOI: 10.1029/2024ja033036
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A Ground‐Based Instrument Suite for Integrated High‐Time Resolution Measurements of Pulsating Aurora With Arase (2023)
  • 著者名/発表者名: Hosokawa K.、Oyama S.‐I.、Ogawa Y.、Miyoshi Y.、Kurita S.、Teramoto M.、Nozawa S.、Kawabata T.、Kawamura Y.、Tanaka Y.‐M.、Miyaoka H.、Kataoka R.、Shiokawa K.、Br?ndstr?m U.、Turunen E.、Raita T.、Johnsen M. G.、Hall C.、Hampton D.、Ebihara Y.、Kasahara Y.、Matsuda S.、Shinohara I.、Fujii R.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 128 号: 8
  • DOI: 10.1029/2023ja031527
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Space Plasma Physics: A Review (2023)
  • 著者名/発表者名: Tsurutani Bruce T.、Zank Gary P.、Sterken Veerle J.、Shibata Kazunari、Nagai Tsugunobu、Mannucci Anthony J.、Malaspina David M.、Lakhina Gurbax S.、Kanekal Shrikanth G.、Hosokawa Keisuke、Horne Richard B.、Hajra Rajkumar、Glassmeier Karl-Heinz、Gaunt C. Trevor、Chen Peng-Fei、Akasofu Syun-Ichi
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Plasma Science 巻: 51 号: 7 ページ: 1595-1655
  • DOI: 10.1109/tps.2022.3208906
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] An Implication of Detecting the Internal Modulation in a Pulsating Aurora: A Conjugate Observation by the Arase Satellite and All‐Sky Imagers (2023)
  • 著者名/発表者名: Nanjo S.、Ebukuro S.、Nakamura S.、Miyoshi Y.、Kurita S.、Oyama S.‐I.、Ogawa Y.、Keika K.、Kasahara Y.、Kasahara S.、Matsuoka A.、Hori T.、Yokota S.、Matsuda S.、Shinohara I.、Wang S.‐Y.、Kazama Y.、Jun C.‐W.、Kitahara M.、Hosokawa K.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 128 号: 8 ページ: 1-16
  • DOI: 10.1029/2023ja031499
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Correspondence of Pi2 pulsations, aurora luminosity, and plasma flux fluctuation near a substorm brightening aurora: Arase observations (2023)
  • 著者名/発表者名: Chen, L., K. Shiokawa, Y. Miyoshi, S. Oyama, C-W. Jun, Y. Ogawa, K. Hosokawa, Y. Kazama, S. Y. Wang, S. W. Y. Tam, T. F. Chang, B. J. Wang, K. Asamura, S. Kasahara, S. Yokota, T. Hori, K. Keika, Y. Kasaba, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, M. Shoji, Y. Kasahara, A. Matsuoka, I. Shinohara, S. Nakamura
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research 巻: 128 号: 10 ページ: 1-17
  • DOI: 10.1029/2023ja031648
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Three-dimensional ionospheric conductivity associated with pulsating auroral patches: reconstruction from ground-based optical observations (2023)
  • 著者名/発表者名: Fukizawa, M., Tanaka, Y., Ogawa, Y., Hosokawa, K., Raita, T., and Kauristie, K.
  • 雑誌名: Ann. Geophys. 巻: 41 号: 2 ページ: 511-528
  • DOI: 10.5194/angeo-41-511-2023
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Statistics of Unusual Naturally Occurring VLF Radio Emissions Termed Bursty‐Patches Observed at Kannuslehto, Finland (2023)
  • 著者名/発表者名: Martinez‐Calderon C.、Manninen J. K.、Manninen J. T.、Turunen T.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 128 号: 1
  • DOI: 10.1029/2022ja030792
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] On the Importance of Using Event‐Specific Wave Diffusion Rates in Modeling Diffuse Electron Precipitation (2022)
  • 著者名/発表者名: Yu Yiqun、Hosokawa Keisuke、Ni Binbin、Jordanova Vania K.、Miyoshi Yoshizumi、Cao Jinbin、Tian Xingbin、Ma Longxing
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 127 号: 4
  • DOI: 10.1029/2021ja029918
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Reconstruction of precipitating electrons and three-dimensional structure of a pulsating auroral patch from monochromatic auroral images obtained from multiple observation points (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Annales Geophysicae 巻: 40 号: 4 ページ: 475-484
  • DOI: 10.5194/angeo-40-475-2022
• [雑誌論文] Variations in Cosmic Noise Absorption in Association With Equatorward Development of the Pulsating Auroral Patch: A Case Study to Estimate the Energy Spectra of Auroral Precipitating Electrons (2021)
  • 著者名/発表者名: Miyamoto Taishiro、Oyama Shin‐ichiro、Raita Tero、Hosokawa Keisuke、Miyoshi Yoshizumi、Ogawa Yasunobu、Kurita Satoshi
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 126 号: 9
  • DOI: 10.1029/2021ja029309
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Simultaneous Pulsating Aurora and Microburst Observations With Ground‐Based Fast Auroral Imagers and CubeSat FIREBIRD‐II (2021)
  • 著者名/発表者名: Kawamura Miki、Sakanoi Takeshi、Fukizawa Mizuki、Miyoshi Yoshizumi、Hosokawa Keisuke、Tsuchiya Fuminori、Katoh Yuto、Ogawa Yasunobu、Asamura Kazushi、Saito Shinji、Spence Harlan、Johnson Arlo、Oyama Shin'ichiro、Br?ndstr?m Urban
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 48 号: 18 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1029/2021gl094494
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Periodicities and Colors of Pulsating Auroras: DSLR Camera Observations From the International Space Station (2021)
  • 著者名/発表者名: Nanjo Sota、Hozumi Yuta、Hosokawa Keisuke、Kataoka Ryuho、Miyoshi Yoshizumi、Oyama Shin‐ichiro、Ozaki Mitsunori、Shiokawa Kazuo、Kurita Satoshi
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 126 号: 10
  • DOI: 10.1029/2021ja029564
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] オメガバンドオーロラに伴う高エネルギー電子降下とリオメータ観測による銀河電波吸収の関係 (2024)
  • 著者名/発表者名: 高野向陽，細川敬祐，大山伸一郎，Antti Kero，三好由純，小川泰信，吹澤瑞貴, 栗田怜
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合 (JpGU) 2024 年大会
  • 国際学会
• [学会発表] リオメータ観測を用いた磁気嵐時の降下電子エネルギーの推定 (2024)
  • 著者名/発表者名: 高野向陽，細川敬祐，大山伸一郎，Antti Kero，三好由純，小川泰信，吹澤瑞貴, 栗田怜
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会 (SGEPSS) 2024 年秋季年会
• [学会発表] Frequency dependence of CNA due to various sources observed by spectral riometers (2024)
  • 著者名/発表者名: Tomotaka Tanaka, Yasunobu Ogawa, Yoshimasa Tanaka, Akira Kadokura, Mizuki Fukizawa, Kiyoka Murase, Keisuke Hosokawa, Shin ichiro Oyama, Antti Kero
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会 (SGEPSS) 2024 年秋季年会
• [学会発表] Possible Influence of Ducted Chorus Wave Propagation on the Characteristics of the Pulsating Auroral Shape and the Energy of Electron Precipitation (2023)
  • 著者名/発表者名: Ito, Y., K. Hosokawa, Y. Ogawa, Y. Miyoshi, F. Tsuchiya, M. Fukizawa, K. Murase, S. Oyama, S. Nakamura, Y. Kasahara, S. Matsuda, Y. Kasaba, S. Kasahara, T. Hori, S. Yokota, K. Keika, A. Matsuoka, M. Teramoto, I. Shinohara
  • 学会等名: American Geophysical Union (AGU) Fall Meeting, San Francisco
  • 国際学会
• [学会発表] 脈動オーロラの空間構造と降下電子エネルギーの制御に関するコーラス波ダクト伝搬の役割 (2023)
  • 著者名/発表者名: 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，堀智昭，横田勝一郎，桂華邦裕，篠原育
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会（SGEPSS）2023 年秋季年会
• [学会発表] 磁気嵐中に発生したオメガバンドオーロラに伴う放射線帯電子降下の時空間変動: 多周波リオメータ, EMCCD 全天カメラによる同時観測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 高野向陽, 細川敬祐, 大山伸一郎, Antti Kero, 三好由純, 小川泰信, 栗田怜, 南條壮汰
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会（SGEPSS）2023 年秋季年会
• [学会発表] Ring-shaped expanding pulsating aurora: simultaneous observations with Arase (2023)
  • 著者名/発表者名: Hosokawa, K., S. Kurita, Y. Miyoshi, S.-I. Oyama, Y. Ogawa, M. Ozaki, Y. Kasahara, Y. Kasaba, S. Yagitani, S. Matsuda, F. Tsuchiya, A. Kumamoto, I. Shinohara and R. Fujii
  • 学会等名: 35th URSI General Assembly and Scientific Symposium 2023 (URSI GASS 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Factors controlling the shape and energy of pulsating aurora: Simultaneous observations by Arase satellite, ground-based all-sky imagers and EISCAT radar (2023)
  • 著者名/発表者名: Ito, Y., K. Hosokawa, Y. Ogawa, Y. Miyoshi, M. Fukizawa, F. Tsuchiya, K. Murase, S.-I. Oyama, S. Nakamura, Y. Kasahara, S. Matsuda, S. Kasahara, T. Hori, S. Yokota, K. Keika, I. Shinohara
  • 学会等名: 35th URSI General Assembly and Scientific Symposium 2023 (URSI GASS 2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Possible roles of magnetospheric density ducts in controlling the shape of pulsating aurora and the energy of precipitating electrons (2023)
  • 著者名/発表者名: Ito, Y., K. Hosokawa, Y. Ogawa, Y. Miyoshi, F. Tsuchiya, M. Fukizawa, K. Murase, S. Oyama, S. Nakamura, Y. Kasahara, S. Matsuda, S. Kasahara, T. Hori, S. Yokota, K. Keita, I. Shinohara
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合 (JpGU) 2023 年大会
• [学会発表] 多周波リオメータ，EMCCD 全天カメラを用いたオメガバンドオーロラに伴う放射線帯電子降下の時空間構造に関する研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 高野向陽, 細川敬祐, 大山伸一郎, A. Kero, 三好由純
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合 (JpGU) 2023 年大会
• [学会発表] Studies of pulsating aurorae: simultaneous observations with the Arase satellite and optical instruments in the Arctic (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: Seventh International Symposium on Arctic Research (ISAR-7)
  • 国際学会
• [学会発表] Studies of pulsating aurorae during Arase era (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 10th VERSIM Workshop
  • 国際学会 / 招待講演