地球と火星の比較に基づく惑星電磁気圏環境に固有磁場強度が与える影響に関する研究

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H02229
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 関 華奈子 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (20345854)
• 研究分担者: 小川 泰信 国立極地研究所, 国際北極環境研究センター, 准教授 (00362210) ; 桂華 邦裕 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (10719454) ; 寺田 直樹 東北大学, 理学研究科, 教授 (70470060) ; 海老原 祐輔 京都大学, 生存圏研究所, 准教授 (80342616)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 超高層物理学 / 惑星大気進化 / 宇宙空間プラズマ / 宇宙科学 / 惑星探査 / 火星 / 大気流出

研究実績の概要

惑星周辺の宇宙環境（電磁気圏環境）は、惑星の固有磁場強度によって大きく異なる。しかし現在、固有磁場強度が変化したときに、電磁気圏環境や大気流出量がどのように変化するのかを予測できる段階には達していない。本研究の目的は、地球と火星の比較に基づいて、地球型惑星の電磁気圏環境に固有磁場強度が与える影響を解明することにある。
平成30年度には、昨年度までのデータ解析研究をまとめ、下記の成果を得た。まず火星探査機の電位の特性を利用し、従来測ることが困難であった低エネルギーイオンの統計解析を実施し、20eV以下の低エネルギーイオン流出がより高いエネルギーのイオン流出量に匹敵することを見いだした。また、惑星表面に残留磁化の多い南半球と少ない北半球の比較から、惑星磁場が分子イオンの流出を促進する一方で、原子イオンの流斎つを抑制することを明らかにした。さらに太陽風電場の向きによって、大気流出機構が異なり、上向き電場半球では磁場に平行方向の電位による加速が、下向き半球では電場ドリフトや惑星間空間磁場(IMF)の侵入が重要となることが示された。
また、地球に関しては、EISCATレーダーデータの統計解析を行い、惑星周辺の宇宙環境を大きく乱す磁気嵐の原因となるCME（コロナ質量放出）とCIR(共回転相互作用領域)の２つの太陽風の特徴的な構造に着目して、地球電離圏からのイオン上昇流への影響を調べた。その結果、CME駆動磁気嵐時には、夜側でのイオン上昇フラックスがCIR駆動時の約4倍に増える一方で、昼側でのイオン上昇流の継続時間は、CME駆動型に比べCIR駆動型磁気嵐の方が2日程度長いことが明らかとなった。
これらのデータ解析結果を踏まえて、太陽風と惑星大気の相互作用のグローバルシミュレーションの設定条件の考察を行うとともに、IMFの方向がイオン流出量に大きな影響を与えることを明らかにした。

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

本計画で第三年度に予定していた、MAVEN火星探査機のデータ解析、ジオスペース探査衛星あらせとEISCATの同時観測、統計データ解析研究成果のまとめと数値実験へのフィードバック、固有磁場強度をパラメータとした火星からの大気流出シミュレーションと太陽風パラメータへの依存性調査の開始などを行い、ほぼ当初の計画通り進んでいるため、「おおむね順調に進展している」を選択した。

今後の研究の推進方策

本研究では、現在の地球と火星における最新の観測と数値実験結果を比較することで物理機構の理解を深め、観測を定性的に記述可能な数値モデルを開発する。次に開発したモデルを用いて固有磁場強度を変えた場合の数値実験を行い、固有磁場強度が惑星電磁気圏環境の基本的性質に与える影響を明らかにすることを目指している。
計画第三年度までの研究により、平均的な太陽風と、過去を模した極端な太陽風条件下で火星の多成分MHDグローバルシミュレーションを行い、火星からの大気流出率と流出機構が、固有磁場強度や太陽風磁場の向きの変化に対してどのように変化するかについて、定性的な傾向を理解するところまで来ている。研究計画最終年度には、更に固有磁場強度を強くした場合に、惑星周辺の宇宙環境や大気流出率がどのように変化するかを調べるとともに、過去の太陽条件の推定値の範囲内で複数の条件下でのシミュレーションも行い、より一般的に太陽風や太陽放射への依存性を調べる計画である。
また、昨年度までのシミュレーション結果で得られたイオン種による振る舞いの違いに着目し、火星および地球における探査機による観測データの解析を進め、数値実験、観測の双方から得られた研究成果を総括して、地球型惑星の電磁気圏環境に固有磁場強度が与える影響について新たに得た知見をまとめたい。

研究成果

• [雑誌論文] Characteristics of CME- and CIR-driven ion upflows in the polar ionosphere (2019)
  • 著者名/発表者名: Ogawa, Y., K. Seki, K. Keika, and Y. Ebihara
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research 巻: 124 ページ: 3637窶?3649
  • DOI: 10.1029/2018JA025870
  • 査読あり
• [雑誌論文] Statistical study of selective oxygen increase in high‐energy ring current ions during magnetic storms (2019)
  • 著者名/発表者名: Mitani, K., K. Seki, K. Keika, M. Gkioulidou, L. J. Lanzerotti, D. G. Mitchell, C. A. Kletzing, A. Yoshikawa, and Y. Obana
  • 雑誌名: J. Geophys. Res. 巻: 124 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2018JA026168
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Excitation of storm time Pc5 ULF waves by ring current ions based on the drift‐kinetic simulation (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamakawa, T., K. Seki, T. Amano, N. Takahashi, and Y. Miyoshi
  • 雑誌名: Geophys. Res. Lett. 巻: 46 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2018GL081573
  • 査読あり
• [雑誌論文] Simulation study of near-Earth space disturbances: 2. Auroral substorms (2019)
  • 著者名/発表者名: Ebihara, Y.
  • 雑誌名: Progress in Earth and Planetary Science 巻: 6:24 ページ: -
  • DOI: 10.1186/s40645-019-0273-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Simulation study of near-Earth space disturbances: 1. Magnetic storms (2019)
  • 著者名/発表者名: Ebihara, Y.
  • 雑誌名: Progress in Earth and Planetary Science 巻: 6:16 ページ: -
  • DOI: 10.1186/s40645-019-0264-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Global distribution of ULF waves during magnetic storms: Comparison of Arase, ground observations and BATSRUS+CRCM simulation (2018)
  • 著者名/発表者名: Takahashi, N., K. Seki, M. Teramoto, M-C Fok, Y. Zheng, A. Matsuoka, N. Higashio, K. Shiokawa, D. Baishev, A. Yoshikawa, and T. Nagatsuma
  • 雑誌名: Geophys. Res. Lett. 巻: 45 ページ: 9390-9397
  • DOI: 10.1029/2018GL078857
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Substorm-associated ionospheric flow fluctuations during the 27 March 2017 magnetic storm: SuperDARN-Arase conjunction (2018)
  • 著者名/発表者名: Hori, T., N. Nishitani, S. G. Shepherd, J. M. Ruohoniemi, M. Connors, M. Teramoto, S. Nakano, K. Seki, N. Takahashi, S. Kasahara, S. Yokota, T. Mitani, T. Takashima, N. Higashio, A. Matsuoka, K. Asamura, Y. Kazama, S.-Y. Wang, S. W. Y. Tam, T.-F. Chang, B.-J. Wang, Y. Miyoshi, and I. Shinohara
  • 雑誌名: Geophys. Res. Lett. 巻: 45 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2018GL079777
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effects of a weak intrinsic magnetic field on atmospheric escape from Mars (2018)
  • 著者名/発表者名: Sakai, S., K. Seki, N. Terada, H. Shinagawa, T. Tanaka, and Y. Ebihara
  • 雑誌名: Geoophys. Res. Lett. 巻: 45 ページ: 9336-9343
  • DOI: 10.1029/2018GL079972
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cold dense ion outflow observed in the Martian induced magnetotail by MAVEN (2018)
  • 著者名/発表者名: Inui, S., K. Seki, T. Namekawa, S. Sakai, D. A. Brain, Hara, T., J. P. McFadden, J. S. Halekas, D. L. Mitchell, G. A. DiBraccio, and B. M. Jakosky
  • 雑誌名: Geophys. Res. Lett. 巻: 45 ページ: 5283-5289
  • DOI: 10.1029/2018GL077584
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Radial transport of higher-energy oxygen ions into the deep inner magnetosphere observed by Van Allen Probes (2018)
  • 著者名/発表者名: Mitani, K., K. Seki, K. Keika, M. Gkioulidou, L. J. Lanzerotti, D. G. Mitchell, and C. A. Kletzing
  • 雑誌名: Geophys. Res. Lett. 巻: 45 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2018GL077500
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Loss of the Martian atmosphere to space: Present-day loss rates determined from MAVEN observations and integrated loss through time (2018)
  • 著者名/発表者名: Jakosky,?B.M., D. Brain, et al.
  • 雑誌名: Icarus 巻: 315 ページ: 146-157
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2018.05.030
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A statistical study of slow-mode shocks observed by MMS in the dayside magnetopause (2018)
  • 著者名/発表者名: Walia, N. K., K. Seki, M. Hoshino, T. Amano, N. Kitamura, Y. Saito, S. Yokota, C. J. Pollock, B. L. Giles, T. E. Moore, R. B. Torbert, C. T. Russell, and J. L. Burch
  • 雑誌名: Geophys. Res. Lett. 巻: 45 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2018GL077580
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Evidence for crustal magnetic field control of ions precipitating into the upper atmosphere of Mars (2018)
  • 著者名/発表者名: Hara, T., J. G. Luhmann, F. Fran?ois, S. Curry, J. Halekas, K. Seki, D. Brain, Y. Harada, J. P. McFadden, G. A. Dibraccio, Y. Soobiah, D. Mitchell, S. Xu, C. Mazelle, and B. M. Jakosky
  • 雑誌名: Geophys. Res. Lett. 巻: 45 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2017JA024798
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ion energies dominating energy density in the inner magnetosphere: Spatial distributions and composition (2018)
  • 著者名/発表者名: Keika, K., S. Kasahara, S. Yokota, M. Hoshino, K. Seki, M. Nose, T. Amano, Y. Miyoshi, and I. Shinohara
  • 雑誌名: Geophys. Res. Lett. 巻: 45 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2018GL080047
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mesospheric CO2 ice clouds on Mars observed by the Planetary Fourier Spectrometer onboard Mars Express (2018)
  • 著者名/発表者名: Aoki, S., Y. Sato, M. Giuranna, P. Wolkenberg, T. Sato, H. Nakagawa, Y. Kasaba
  • 雑誌名: Icarus 巻: 302 ページ: 175-190
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2017.10.047
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Stringent upper limit of CH4 on Mars based on SOFIA/EXES observation (2018)
  • 著者名/発表者名: Aoki, S., M.J. Richter, C. DeWitt, A. Boogert, T. Encrenaz, H. Sagawa, H. Nakagawa, A.C. Vandaele, M. Giuranna, T.K. Greathouse, T. Fouchet, A. Geminale, G. Sindoni, M. McKelvey, M. Case, Y. Kasaba
  • 雑誌名: Astron. Astrophys 巻: A78 ページ: 9
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201730903
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Generation mechanisms of Martian diffuse aurora and possible visualization of the space environment around Mars (2019)
  • 著者名/発表者名: 関華奈子
  • 学会等名: Symposium on Planetary Sciences 2019
• [学会発表] Study of Heavy Ion Outflows from Mars through the Induced Magnetotail Based on MAVEN Observations (2019)
  • 著者名/発表者名: 乾彰悟
  • 学会等名: American Geophysical Union 2018 Fall Meeting
• [学会発表] Escape and evolution of the Martian atmosphere: Influence of carbon escape (2019)
  • 著者名/発表者名: 寺田 直樹
  • 学会等名: Symposium on Planetary Science 2019
• [学会発表] 月表層土中の窒素、軽希ガス同位体比は初期地球大気の流出で説明可能か？ (2019)
  • 著者名/発表者名: 寺田 直樹
  • 学会等名: 第2回月着陸探査研究会
• [学会発表] Escape and evolution of the Martian atmosphere: Influence of water and carbon escapes (2019)
  • 著者名/発表者名: 寺田 直樹
  • 学会等名: The 1st International Workshop for Aquaplanetology
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Cause and consequence of strong ionospheric heating: Simultaneous observations by Arase (ERG) satellite and EISCAT radar (2018)
  • 著者名/発表者名: 関華奈子
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2018年大会
• [学会発表] Statistical study of selective transport of higher-energy O+ into the inner magnetosphere during geomagnetic storms observed by Van Allen Probes (2018)
  • 著者名/発表者名: 三谷憲司
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2018年大会
• [学会発表] Development of a model coupling method between BATS-R-US - CIMI and GEMSIS-RC for study of ULF waves in the inner magnetosphere (2018)
  • 著者名/発表者名: 神谷慶
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2018年大会
• [学会発表] Excitation mechanism of storm-time Pc5 ULF waves by ring current ions (2018)
  • 著者名/発表者名: 山川智嗣
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2018年大会
• [学会発表] Effects of a planetary intrinsic magnetic field on the ion loss mechanism of ancient Mars (2018)
  • 著者名/発表者名: 坂田遼弥
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2018年大会
• [学会発表] Arase(ERG) mission and involvement of space simulations (2018)
  • 著者名/発表者名: 関華奈子
  • 学会等名: 13th International Symposium for Space Simulations
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Effects of the planetary intrinsic magnetic field on the ion loss from ancient Martian atmosphere based on global multi-species MHD simulations (2018)
  • 著者名/発表者名: 坂田遼弥
  • 学会等名: 13th International Symposium for Space Simulations
  • 国際学会
• [学会発表] Statistical properties of molecular ions in the ring current observed by the Arase (ERG) satellite (2018)
  • 著者名/発表者名: 関華奈子
  • 学会等名: 第144回地球電磁気・地球惑星圏学会講演会
• [学会発表] Statistical Study of Selective Transport of Energetic Oxygen Ions During Magnetic Storms Observed by Van Allen Probes in 2013-2017 (2018)
  • 著者名/発表者名: 三谷憲司
  • 学会等名: 第144回地球電磁気・地球惑星圏学会講演会
• [学会発表] Study of ULF waves and its effect on radial transport of outer radiation belt electrons based on the model coupling simulations (2018)
  • 著者名/発表者名: 神谷慶
  • 学会等名: 第144回地球電磁気・地球惑星圏学会講演会
• [学会発表] Molecular ion outflow mechanisms from the deep ionosphere observed by EISCAT radar in conjunction with the Arase (ERG) (2018)
  • 著者名/発表者名: 高田雅康
  • 学会等名: 第144回地球電磁気・地球惑星圏学会講演会
• [学会発表] Study of excitation mechanism of the storm-time Pc5 waves by ring current ions (2018)
  • 著者名/発表者名: 山川智嗣
  • 学会等名: 第144回地球電磁気・地球惑星圏学会講演会
• [学会発表] Effects of a weak planetary intrinsic magnetic field on the ion loss from ancient Mars (2018)
  • 著者名/発表者名: 坂田遼弥
  • 学会等名: 第144回地球電磁気・地球惑星圏学会講演会
• [学会発表] Statistical properties of molecular ions in the ring current and their possible supply mechanisms from the ionosphere: Arase and EISCAT radar observations (2018)
  • 著者名/発表者名: 関華奈子
  • 学会等名: American Geophysical Union 2018 Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Study on the propagation of ULF waves in the inner magnetosphere based on the model coupling between BATS-R-US+CIMI and GEMSIS-RC+RB simulations (2018)
  • 著者名/発表者名: 関華奈子
  • 学会等名: American Geophysical Union 2018 Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Statistical study of heavy ion outflows observed in the Martian induced magnetotail by MAVEN (2018)
  • 著者名/発表者名: 関華奈子
  • 学会等名: American Geophysical Union 2018 Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Statistical Study of Selective Transport of Energetic Oxygen Ions During Magnetic Storms Observed by Van Allen Probes in 2013-2017 (2018)
  • 著者名/発表者名: 三谷憲司
  • 学会等名: American Geophysical Union 2018 Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] On generation, propagation, and dissipation of gravity waves in the Martian upper atmosphere (2018)
  • 著者名/発表者名: 寺田 直樹
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2018年大会
• [学会発表] 火星外圏における大気重力波のDSMC計算 (2018)
  • 著者名/発表者名: 寺田 直樹
  • 学会等名: 気象学会2018年度秋季大会
• [学会発表] Mass and Charge Dependent Characteristics of Earth’s Magnetospheric Plasma (2018)
  • 著者名/発表者名: 桂華邦裕
  • 学会等名: 2nd Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Contribution from proton and oxygen ions to plasma pressure in the Earth’s inner magnetosphere: Arase (ERG) observations (2018)
  • 著者名/発表者名: 桂華邦裕
  • 学会等名: 2nd URSI AT-RASC meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spatial distribution of the contributions from electrons, protons, and oxygen ions to energy density in the inner magnetosphere (2018)
  • 著者名/発表者名: 桂華邦裕
  • 学会等名: JpGU 2018 meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Contribution from oxygen ions to plasma pressure in the inner magnetosphere: Spatial distributions and contributing energies (2018)
  • 著者名/発表者名: 桂華邦裕
  • 学会等名: SGEPSS 2018 Fall Meeting
• [学会発表] Contribution from mass-dependent acceleration to the buildup of the ring current: Arase observations (2018)
  • 著者名/発表者名: 桂華邦裕
  • 学会等名: AGU Fall Meeting 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Water cycle on Mars revealed by space-born and ground-based observations (2018)
  • 著者名/発表者名: 中川広務
  • 学会等名: Symposium on Planetary Sciences
• [学会発表] Mars mesospheric zonal wind at global dust storm 2018 (2018)
  • 著者名/発表者名: 中川広務
  • 学会等名: Society of Geomagnetism and Earth, Planetary and Space Sciences
• [学会発表] 火星超高層大気中における大気重力波の特性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 中川広務
  • 学会等名: 日本気象学会
• [学会発表] The effect of atmospheric gravity waves on the water transport and its escape on Mars (2018)
  • 著者名/発表者名: 中川広務
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting
• [学会発表] Characteristics of CME- and CIR-driven ion upflows in the polar ionosphere (2018)
  • 著者名/発表者名: 小川泰信
  • 学会等名: Planetary Atmospheric Erosion - Europlanet Workshop 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Characteristics of CME- and CIR-driven ion upflows in the polar ionosphere (2018)
  • 著者名/発表者名: 小川泰信
  • 学会等名: SGEPSS fall meeting