極域大気４次元センシング：メソスケールオーロラを介した宇宙と大気の結合過程の解明

• 研究課題/領域番号: 22H00173
• 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: 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: 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)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2027-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2025年度)
• 配分額: 42,120千円 (直接経費: 32,400千円、間接経費: 9,720千円); 2025年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円); 2024年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円); 2023年度: 20,280千円 (直接経費: 15,600千円、間接経費: 4,680千円); 2022年度: 12,870千円 (直接経費: 9,900千円、間接経費: 2,970千円)
• キーワード: 地球大気 / オーロラ / 磁気圏電離圏結合 / 大型大気レーダー

研究開始時の研究の概要

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．

研究実績の概要

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．

現在までの達成度

2: おおむね順調に進展している

理由

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，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ることができている．

今後の研究の推進方策

2024 年以降，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，うち 1 式を 2024 年度に設置する．2025 年度にさらに 1 式の光学観測システムの設置を行い，多地点からの高精細オーロラ観測を実現する．

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] Tromsoe Geophysical Observatory(ノルウェー)
• [国際共同研究] Swedish Institute of Space Physics(スウェーデン)
• [国際共同研究] Sodankyla Geophysical Observatory/University of Oulu(フィンランド)
• [雑誌論文] Geomagnetic activity dependence and dawn- dusk asymmetry of thermospheric winds from 9-year measurements with a Fabry-Perot interferometer in Tromsoe, Norway (2023)
  • 著者名/発表者名: Oyama, S., A. Aikio, T. Sakanoi, K. Hosokawa, H. Vanhamaki, L. Cai, I. Virtanen, M. Pedersen, K. Shiokawa, A. Shinbori, N. Nishitani, and Y. Ogawa
  • 雑誌名: Earth Planets Space 巻: 75 号: 1
  • DOI: 10.1186/s40623-023-01829-0
  • 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] IMF dependence of midnight bifurcation in the thermospheric wind at an auroral latitude based on nine winter measurements in Tromsoe, Norway (2023)
  • 著者名/発表者名: Oyama, S., K. Hosokawa, H. Vanhamaki, A. Aikio, T. Sakanoi, L. Cai, I. I. Virtanen, K. Shiokawa, N. Nishitani, A. Shinbori, and Y. Ogawa
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 50 号: 14
  • DOI: 10.1029/2023gl104334
  • 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] 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] Simultaneous precipitation of sub-relativistic electron microburst and pulsating aurora electrons (2023)
  • 著者名/発表者名: Namekawa, T., T. Mitani, K. Asamura, Y. Miyoshi, K. Hosokawa, M. Lessard, C. Moser, A. J. Halford, T. Sakanoi, M. Kawamura, M. Nose, R. Nomura, M. Teramoto, M. Shumko, K. A. Lynch, A. N. Jaynes, M. G. McHarg
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 50 号: 24 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1029/2023gl104001
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] On the Creation, Depletion, and End of Life of Polar Cap Patches (2023)
  • 著者名/発表者名: Eriksen, N. K., D. A. Lorentzen, K. Oksavik, L. Baddeley, K. Hosokawa, K. Shiokawa, E. Bland, L. Paxton, Y. Zhang, K. McWilliams, T. Yeoman, and D. R. Themens
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research 巻: 128 号: 12
  • DOI: 10.1029/2023ja031739
  • 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] 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] An automated auroral detection system using deep learning: real-time operation in Troms?, Norway (2022)
  • 著者名/発表者名: Nanjo Sota、Nozawa Satonori、Yamamoto Masaki、Kawabata Tetsuya、Johnsen Magnar G.、Tsuda Takuo T.、Hosokawa Keisuke
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 106-106
  • DOI: 10.1038/s41598-022-11686-8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Slow Contraction of Flash Aurora Induced by an Isolated Chorus Element Ranging From Lower‐Band to Upper‐Band Frequencies in the Source Region (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 49 号: 9
  • DOI: 10.1029/2021gl097597
  • 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] Proton aurora and relativistic electron microbursts scattered by electromagnetic ion cyclotron waves (2022)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Front. Astron. Space Sci. 巻: 15
  • DOI: 10.3389/fspas.2022.975123
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 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, 多周波リオメータ
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合 (JpGU) 2023 年大会
  • 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, et al.
  • 学会等名: JpGU Meeting 2023
  • 国際学会
• [学会発表] 広角レンズを装着したデジカメとジンバルを用いたオーロラの観測：BROR ロケット実験との同時観測を含めた観測例の紹介 (2023)
  • 著者名/発表者名: 南條壮汰, U. Brandstrom, T. Sergienko, 津田卓雄, 青木猛, 細川敬祐
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合 (JpGU) 2023 年大会
  • 国際学会
• [学会発表] Variation of the altitude of auroral emission during a substorm cycle: Stereoscopic optical observations during the LAMP rocket experiment (2023)
  • 著者名/発表者名: Hosokawa, K., Y. Miyoshi, M. Matthew, L. Vincent, H. Donald et al.
  • 学会等名: JpGU Meeting 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Post-midnight にオーロラオーバルの極側で見られた STEVE のような発光の事例解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 南條壮汰, G.A. Hofstra, 野澤悟徳, 塩川和夫, 川端哲也, 細川敬祐
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合 (JpGU) 2023 年大会
  • 国際学会
• [学会発表] Optical observations of polar cap aurora: continuous measurements with an EMCCD all-sky imager in Longyearbyen, Norway (2023)
  • 著者名/発表者名: Hosokawa, K., S. Taguchi, Y. Ogawa, T. Tsuda, R. Kataoka
  • 学会等名: JpGU Meeting 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] An AI-based auroral observation using a wide angle digital camera mounted on a gimbal (2023)
  • 著者名/発表者名: Nanjo, S., U. Brandstorm T. T. Tsuda, T. Aoki, and K. Hosokawa
  • 学会等名: 47th Annual European Meeting on Atmospheric Studies by Optical Methods
  • 国際学会 / 招待講演
• [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 et al.
  • 学会等名: 35th URSI General Assembly and Scientific Symposium 2023
  • 国際学会
• [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 et al.
  • 学会等名: 35th URSI General Assembly and Scientific Symposium 2023
  • 国際学会
• [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] 夜側で観測されたショックオーロラを構成する 3 種類の発光とその時空間発展 (2023)
  • 著者名/発表者名: 南條壮汰, 山内正敏, Magnar G. Johnsen, 横山佳弘, Urban Brandstrom, 細川敬祐
  • 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] 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，他
  • 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] Relationship between the characteristics of electron precipitation and the morphology of pulsating aurora: direct comparison between ground-based and rocket observations during the LAMP rocket experiment (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Hosokawa, Y. Miyoshi, M. Lessard, M. Shumko, K. Asamura et al.
  • 学会等名: American Geophysical Union (AGU) Fall Meeting
  • 国際学会
• [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, M. Fukizawa, F. Tsuchiya et al.
  • 学会等名: American Geophysical Union (AGU) Fall Meeting
  • 国際学会
• [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: 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
  • 学会等名: Seventh International Symposium on Arctic Research (ISAR-7)
  • 国際学会
• [学会発表] Relationship between pulsating auroral electrons and duct propagation of chorus waves: Simultaneous observations with EISCAT (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: Seventh International Symposium on Arctic Research (ISAR-7)
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 南條壮汰，Urban Brandstrom，津田卓雄，青木猛，細川敬祐
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会（SGEPSS）第 152 回総会及び講演会
• [学会発表] 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)
  • 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，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
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会（SGEPSS）第 152 回総会及び講演会
• [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: 地球電磁気・地球惑星圏学会（SGEPSS）第 152 回総会及び講演会
• [学会発表] Simultaneous conjugate observations of the energy of pulsating auroral electrons by Arase satellite, ground-based all-sky imagers and EISCAT radar (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 20th International EISCAT Symposium 2022
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合 (JpGU) 2022 年大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合 (JpGU) 2022 年大会
• [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