観測と数値実験に基づく磁気圏の注入粒子によるULF波動を伴うプラズマ不安定の解明

• 研究課題/領域番号: 22KJ0532
• 補助金の研究課題番号: 21J00921 (2021-2022)
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 基金 (2023); 補助金 (2021-2022)
• 応募区分: 国内
• 審査区分: 小区分17010:宇宙惑星科学関連
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 山本 和弘 東京大学, 大学院理学系研究科, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2023-03-08 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円); 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: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
• キーワード: 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

研究開始時の研究の概要

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。

研究実績の概要

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。

研究成果

• [雑誌論文] Direct evidence of drift-compressional wave generation in the Earth's magnetosphere detected by Arase (2024)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 51 号: 8 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1029/2023gl107707
  • 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
• [学会発表] A drift kinetic simulation of internally driven ULF waves based on multi-point spacecraft observations in the ionosphere and the magnetosphere (2023)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Yamamoto, Kanako Seki, Tomotsugu Yamakawa, Takanobu Amano, Aoi Nakamizo, and Yoshizumi Miyoshi
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2024
  • 国際学会
• [学会発表] Excitation of drift-compressional mode waves by drift resonance with ring current ions: Arase observation (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: The 28th IUGG General Assembly
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Excitation of drift-compressional mode waves by drift resonance with ring current ions: Arase observation (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: Asia Oceania Geosciences Society 20th Annual Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A drift kinetic simulation of internally driven ULF waves based on multi-point spacecraft observations in the ionosphere and the magnetosphere (2023)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Yamamoto, Kanako Seki, Tomotsugu Yamakawa, Takanobu Amano, Aoi Nakamizo, and Yoshizumi Miyoshi
  • 学会等名: URSI GASS 2023
  • 国際学会
• [学会発表] A drift kinetic simulation of ULF wave excitation based on multi-point spacecraft observations in the ionosphere and the magnetosphere (2023)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Yamamoto, Kanako Seki, Tomotsugu Yamakawa, Takanobu Amano, Aoi Nakamizo, and Yoshizumi Miyoshi
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会 2023年秋季年会
• [学会発表] Excitation of ULF waves and transport of plasma through wave-particle interaction in the Earth’s magnetosphere (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 7th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
• [学会発表] Excitation of drift-compressional mode waves by drift resonance with ring current ions: Arase observation (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第１８回ERGサイエンス会議／名大ISEE共同研究集会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Yamamoto, K. Seki, T. Amano, A. Nakamizo, Y. Miyoshi, and T. Yamakawa
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting 2022
  • 国際学会
• [学会発表] A Drift-kinetic Simulation Study of Poloidal ULF Wave Excitation Based on the Observations of Field-aligned Current and Ring Current Ions (2022)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Yamamoto, K. Seki, T. Amano, A. Nakamizo, Y. Miyoshi, and T. Yamakawa
  • 学会等名: AOGS2022 19th Annual Meeting (VIRTUAL)
  • 国際学会
• [学会発表] Drift-kinetic simulation study of ULF wave excitation based on the field-aligned current and ring current observations (2022)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Yamamoto, K. Seki, T. Amano, A. Nakamizo, Y. Miyoshi, and T. Yamakawa
  • 学会等名: The 152nd SGEPSS General Assembly 2022
• [学会発表] Controlling factors of the occurrence of multi-harmonic toroidal ULF waves: A statistical study of the Arase satellite observations (2021)
  • 著者名/発表者名: YAMAMOTO Kazuhiro, K. Seki, A. Matsuoka, S. Imajo, M. Teramoto, Y. Kasahara, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, M. Shoji, Y. Miyoshi, I. Shinohara
  • 学会等名: JpGU2021
  • 国際学会
• [学会発表] A statistical study of the solar wind dependence of multi-harmonic toroidal ULF waves observed by the Arase satellite (2021)
  • 著者名/発表者名: YAMAMOTO Kazuhiro, K. Seki, A. Matsuoka, S. Imajo, M. Teramoto, Y. Kasahara, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, M. Shoji, S. Nakamura, Y. Miyoshi, I. Shinohara
  • 学会等名: AGU Fall Meeting 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Second harmonic poloidal standing Alfven waves excited by a steep gradient of proton phase space density at the edge of the nose structure (2021)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: IAGA-IASPEI 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Radial transport of ring current protons by second harmonic poloidal standing Alfven waves: Arase and RBSP-B observations (2021)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: SGEPSS秋学会2021