非線形波動粒子相互作用・非拡散的粒子輸送に基づく地球放射線帯グローバル変動の研究

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H03732
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 海老原 祐輔 京都大学, 生存圏研究所, 准教授 (80342616)
• 研究分担者: 田中 高史 九州大学, 国際宇宙天気科学・教育センター, 研究員 (70346766)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 磁気圏 / 放射線帯 / サブストーム / 惑星間空間衝撃波 / 磁気嵐

研究実績の概要

放射線帯変動の原因として外部供給説と内部加速説があり、その定量的評価が求められている。両説において重要な役割を果たすと考えられるサブストームを中心とした磁気圏の変動過程に着目するとともに、グローバル電磁流体シミュレーションと粒子移流シミュレーションを組み合わせて内部磁気圏電子の応答過程を再現した。（１）内部加速説においては、低エネルギーの電子が主に磁気圏対流及びサブストームによる輸送モードによって内部磁気圏に輸送され、ホイッスラーモードコーラス波を成長させると考えられている。電磁流体シミュレーションにより、太陽風から内部磁気圏に至るエネルギーの流れと変換過程を明らかにした。（２）サブストームの発達過程を象徴するのはオーロラ・ブレイクアップ現象である。明るいオーロラ（サージ）が西側に移動する理由を明らかにすることができた。このとき、内部磁気圏では電磁エネルギー・熱エネルギー・運動エネルギーの変換が積極的になされており、サブストームによって注入された粒子の重要性が明らかになった。（３）オーロラの発光強度シミュレーションを行い古文献にある過去のオーロラ記録の再現を試みた。内部磁気圏の電子がL=1.39まで近づいたこと、通常の電子群とは異なる温度が極めて低い成分が選択的に存在していた可能性を示唆する結果が得られた。対流による内部磁気圏電子の輸送モードの限界を示す結果であり、極端な放射線帯環境を考える上で重要な知見である。（４）EMIC波動は放射線帯電子を効率よく散乱することが知られている。EMIC波動を励起しうるイオンは、惑星間空間衝撃波到来すると特徴的なエネルギー分散構造が現れることを示した。（５）惑星間空間衝撃波到来時における内部磁気圏電子の移流を解き、全エネルギー帯域で電子フラックスが上昇するが、その影響は特に高エネルギー(MeV)帯に現れることを明らかにした。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

放射線帯変動原因を理解する上で重要となるサブストームと惑星間空間衝撃波に対する応答過程について基本過程を明らかにすることができた。対流による輸送モードの限界と内部磁気圏電子の異常な分布を推定した。太陽風から内部磁気圏に至るエネルギーの流れを明らかにした。ホイッスラーモードコーラス波動及びEMIC波動が励起可能な時空間領域がサブストームと惑星間空間衝撃波に対してどのように変わるのか、という問題については検討を進めている。粒子移流シミュレーションに与える外部境界条件を適切に与えることが課題である。粒子シミュレーションを援用することや経験的な電子の分布関数を与えるなどの方法で解決を目指したい。

今後の研究の推進方策

サブストームをエネルギーと物質輸送の観点で理解し、内部加速説における種電子のエネルギー源を探る。ホイッスラーモードコーラス波動及びEMIC波動の励起可能領域の提示とその検討を進める。グローバルMHDシミュレーションと移流シミュレーションを組み合わせ、惑星間空間衝撃波およびサブストームに対する内部磁気圏電子の応答過程を包括的に理解する。グローバルMHDシミュレーションの場の中で移流シミュレーションを時、粒子シミュレーションを援用することで求めた外部境界条件を与える。プラズマ圏から放射線帯に至る広いエネルギー範囲について計算結果と人工衛星による観測結果を比較し、計算結果の妥当性を検証する。

研究成果

• [国際共同研究] NASA(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: NASA
• [雑誌論文] Theory, modeling, and integrated studies in the Arase (ERG) project (2018)
  • 著者名/発表者名: Seki, K., Y. Miyoshi, Y. Ebihara, Y. Katoh, T. Amano, S. Saito, M. Shoji, A. Nakamizo, K. Keika, T. Hori, S. Nakano, S. Watanabe, K. Kamiya, N. Takahashi, Y. Omura, M. Nose, M.-C. Fok, T. Tanaka, A. Ieda, and A. Yoshikawa
  • 雑誌名: Earth Planets Space 巻: 70:17:00 ページ: N/A
  • DOI: 10.1186/s40623-018-0785-9
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Energy flow exciting field-aligned current at substorm expansion onset (2018)
  • 著者名/発表者名: Kamiya, K., K. Seki, S. Saito, T. Amano, and Y. Miyoshi
  • 雑誌名: J. Geophys. Res. Space Phys. 巻: 122 ページ: 12,288-12,309
  • DOI: 10.1002/2017JA024294
  • 査読あり
• [雑誌論文] Why does substorm-associated auroral surge travel westward? (2018)
  • 著者名/発表者名: Ebihara, Y., and T. Tanaka
  • 雑誌名: Plasma Physics and Controlled Fusion 巻: 60 ページ: N/A
  • DOI: 10.1088/1361-6587/aa89fd
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Formation of multiple energy dispersion of H+, He+, and O+ ions in the inner magnetosphere in response to interplanetary shock (2017)
  • 著者名/発表者名: Tsuji, H.,Y. Ebihara, and T. Tanaka
  • 雑誌名: J. Geophys. Res. Space Phys. 巻: 122 ページ: 4387-4397
  • DOI: 10.1002/2016JA023704
  • 査読あり
• [雑誌論文] Long-lasting extreme magnetic storm activities in 1770 found in historical documents (2017)
  • 著者名/発表者名: Hayakawa, H., K. Iwahashi, Y. Ebihara, H. Tamazawa, K. Shibata, D. J. Knipp, A. D. Kawamura, K. Hattori, K. Mase, I. Nakanishi, and H. Isobe
  • 雑誌名: Astrophysical Journal Letters 巻: 850:L31 ページ: N/A
  • DOI: 10.3847/2041-8213/aa9661
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Possible cause of extremely bright aurora witnessed in East Asia on 17 September 1770 (2017)
  • 著者名/発表者名: Ebihara, Y., H. Hayakawa, K. Iwahashi, H. Tamazawa, A. D. Kawamura., H. Isobe
  • 雑誌名: Space Weather 巻: 15 ページ: 1373-1382
  • DOI: 10.1002/2017SW001693
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Records of Auroral Candidates and Sunspots in Rikkokushi, Chronicles of Ancient Japan from Early 7th Century to 887 (2017)
  • 著者名/発表者名: Hayakawa, H., K. Iwahashi, H. Tamazawa, Y. Ebihara, A. D. Kawamura, H. Isobe, K. Namiki, and K. Shibata
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 69 ページ: 86(1-13)
  • DOI: 10.1093/pasj/psx087
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Propagation and evolution of electric fields associated with solar wind pressure pulses based on spacecraft and ground-based observations (2017)
  • 著者名/発表者名: Takahashi, N., Y. Kasaba, T. Nishimura, A. Shinbori, T. Kikuchi, T. Hori, Y. Ebihara, and N. Nishitani
  • 雑誌名: J. Geophys. Res. Space Phys. 巻: 122 ページ: 8446-8461
  • DOI: 10.1002/2017JA023990
  • 査読あり
• [雑誌論文] Global simulation study for the time sequence of events leading to the subsorm onset (2017)
  • 著者名/発表者名: Tanaka, T., Y. Ebihara, , M. Watanabe, M. Den, S. Fujita, T. Kikuchi, K. Hashimoto, and R. Kataoka
  • 雑誌名: J. Geophys. Res. Space Phys. 巻: 122 ページ: 6210-6239
  • DOI: 10.1002/2017JA024102
  • 査読あり
• [雑誌論文] Impact of substorm-time O+ outflow on ring current enhancement (2017)
  • 著者名/発表者名: Nakayama, Y., Y. Ebihara, M. -C. Fok, and T. Tanaka
  • 雑誌名: J. Geophys. Res. Space Phys. 巻: 122 ページ: 6304-6317
  • DOI: 10.1002/2016JA023766
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Records of sunspots and aurora candidates in the Chinese official histories of the Yuan and Ming Dynasties during 1261-1644 (2017)
  • 著者名/発表者名: Hayakawa, H., H. Tamazawa, Y. Ebihara, H. Miyahara, A. D. Kawamura, T. Aoyama, and H. Isobe
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 69 ページ: 69(1-25)
  • DOI: 10.1093/pasj/psx045
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Pathway and conversion of energy incident on auroral and sub-auroral ionosphere at substorm expansion onset (2017)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Ebihara, Tanaka Takashi
  • 学会等名: American Geophysical Union Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] サブストームオンセット時のエネルギーの流れと変換過程 (2017)
  • 著者名/発表者名: 海老原祐輔, 田中高史
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会
• [学会発表] Global MHD simulation study on the evolution of substorms Global MHD simulation study on the evolution of substorms (2017)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Ebihara, Tanaka Takashi
  • 学会等名: 1st Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Global MHD simulation study on the evolution of substorms (2017)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Ebihara, Tanaka Takashi
  • 学会等名: European Physical Society Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Mechanics and energetics of substorm expansion onset (2017)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Ebihara, Tanaka Takashi
  • 学会等名: apan Geoscience Union
  • 国際学会