宇宙地球系結合機構の実証的研究と次世代電磁気圏探査計画の基盤となる戦略的技術開拓

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H02230
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 平原 聖文 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 教授 (50242102)
• 研究分担者: 齋藤 義文 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (30260011) ; 大山 伸一郎 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 講師 (20444424)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 宇宙プラズマ / 地球大気プラズマ / 直接観測 / 探査衛星計画 / 編隊飛行観測 / プラズマ分析器 / 中性・プラズマ粒子相互作用 / 宇宙地球結合系

研究実績の概要

宇宙空間物理学・地球惑星電磁気圏物理学・超高層大気物理学の分野において提案されている宇宙科学探査衛星計画「FACTORS」を推進しており、150-200kg級の新しい衛星システムの開発検討を行った。宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所（JAXA・ISAS）における公募型小型衛星計画のワーキンググループとして2018年度後半に提案・承認された。JAXA・ISASの戦略的開発研究費への申請も行い、複数探査衛星の編隊飛行による地球環境と宇宙空間との領域間結合過程の実証的研究を遂行するための基盤的技術開発に着手した。特に編隊飛行を維持するための推進系と電界アンテナにおいて搭載位置の対策を講じた。複数衛星構成のため、スウェーデンの国内宇宙プログラムである超小型衛星計画との連携を深めるための議論を行った。このFACTORS衛星計画で必要となる波動粒子相互作用解析に対して観測データを提供する粒子分析器の開発においては、検出器からの出力信号を処理しカウント情報などを得るための処理回路部を設計・試作した。上述の将来探査衛星計画の学術的・技術的検討と並行し、これまでの衛星データを活用し宇宙空間と地球電離圏の間の電磁的結合現象に関連する解析的研究を進めた。具体的には、日本独自のれいめい衛星とNASAのFAST衛星で取得された観測データ、特に地球極域電磁気圏におけるオーロラ電子と地球大気イオンの磁場に対するエネルギー分布に関する観測データを比較検討し、磁力線に平行・垂直方向の準静電的・波動的電界成分による加速過程について調査した。また、地球超高層大気を支配する中性大気粒子ダイナミクスの観点から、FACTORS衛星計画で遂行するのが望まれる熱圏中性粒子観測研究に向けた基礎情報を収集するために過去の研究成果を調査した。特に、真空紫外線観測による大気組成推定手法の本衛星計画への応用を重点的に調べた。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所の予算事情のため複数年度にわたりSS-520-3号機ロケット実験の実施が遅延しており本ロケット実験にて宇宙実証する波動粒子相互作用解析装置と超熱的イオン分析器のデータが未取得であり、宇宙地球結合系直接探査衛星計画「FACTORS」の技術基盤獲得が途上であるため。また、新規技術開拓として取り組んでいる中性粒子分析器開発においてスウェーデンとの共同研究開発を検討しつつ、日本国内で具体的な開発実験環境として求められる較正実験用粒子ビームラインのフラックス向上のための改良に向けた課題解決の情報収集・技術的解決方策に時間が必要であるため。

今後の研究の推進方策

宇宙科学探査衛星計画「FACTORS」においては、超熱的イオン分析器の開発を遂行する必要があり、その研究開発のためのビームライン較正実験装置を整備する。特に、イオンビームモニターの2次元プロファイルを取得するため、2018年度に開発を進めた位置検出用MCPアセンブリーの適用を目指しつつ、イオン・電子ビームラインのフラックス向上のための検討を行う。。また、FACTORS衛星計画に留まらず、将来の超小型衛星計画に求められる小型・軽量・省電力のイオン・電子同時計測用静電型粒子分析器の設計・開発に着手する。また、中性粒子観測器質量分析部に用いる二次電子源について、印加電圧を低圧化することで必要リソースを低減するため、キャピラリプレートを用いることを検討している。このため、キャピラリプレートの試作及び性能試験治具(電極・筐体など) の設計を行う。FACTORS衛星計画においてはスウェーデンとの共同研究開発が重要であり、2018年度から継続して、スウェーデンの超小型衛星計画「InnoSat」との議論を行いつつ、理学観測の観点においては、スウェーデン王立工科大学との議論を実施する。並行してFACTROS衛星に搭載を検討しているオーロラカメラの真空紫外線観測による大気組成研究の実施の可否を早急に決定し光学機器設計に提言する。

研究成果

• [国際共同研究] スウェーデン王立宇宙物理学研究所(スウェーデン)
  • 国名: スウェーデン
  • 外国機関名: スウェーデン王立宇宙物理学研究所
• [国際共同研究] オウル大学/フィンランド気象研究所/ソダンキラ地球物理観測所(フィンランド)
  • 国名: フィンランド
  • 外国機関名: オウル大学/フィンランド気象研究所/ソダンキラ地球物理観測所
  • 他の機関数: 1
• [国際共同研究] アラスカ大学フェアバンクス校 地球物理学研究所(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: アラスカ大学フェアバンクス校 地球物理学研究所
• [国際共同研究] ノルウェー北極大学(ノルウェー)
  • 国名: ノルウェー
  • 外国機関名: ノルウェー北極大学
• [雑誌論文] Visualization of rapid electron precipitation via chorus element wave-particle interactions (2019)
  • 著者名/発表者名: Ozaki M.、Miyoshi Y.、Shiokawa K. Hosokawa K. Oyama S.、Kataoka R.、 Ebihara Y.、 Ogawa Y.、 Kasahara Y.、 Yagitani S.、 Kasaba Y.、 Kumamoto A.、 Tsuchiya F.、Matsuda S.、Katoh Y.、Hikishima M.、Kurita S.、Otsuka Y.、Moore R. C.、et al.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 ページ: -
  • DOI: 10.1038/s41467-018-07996-z
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Tracking the Region of High Correlation Between Pulsating Aurora and Chorus: Simultaneous Observations With Arase Satellite and Ground‐Based All‐Sky Imager in Russia (2019)
  • 著者名/発表者名: Kawamura S.、Hosokawa K.、Kurita S.、Oyama S.、Miyoshi Y.、Kasahara Y.、Ozaki M.、Matsuda S.、Matsuoka A.、Kozelov B.、Kawamura Y.、Shinohara I.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1029/2019JA026496
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Survey of conditions for artificial aurora experiments by the second electron gyro-harmonic at EISCAT Tromso using dynasonde data (2018)
  • 著者名/発表者名: Tsuda T. T.、Rietveld M. T.、Kosch M. J.、Oyama S.、Ogawa Y.、Hosokawa K.、Nozawa S.、Kawabata T.、Mizuno A.
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 70 ページ: -
  • DOI: doi:10.1186/s40623-018-0864-y
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Purple Auroral Rays and Global Pc1 Pulsations Observed at the CIR‐Associated Solar Wind Density Enhancement on 21 March 2017 (2018)
  • 著者名/発表者名: Shiokawa K.、Ozaki M.、Kadokura A.、Endo Y.、Sakanoi T.、Kurita S.、Miyoshi Y.、Oyama S.‐I.、Connors M.、Schofield I.、Ruohoniemi J. M.、Nose M.、Nagatsuma T.、Sakaguchi K.、Baishev D. G.、Pashinin A.、Rakhmatulin R.、Shevtsov B.、Poddelsky I.、Engebretson M.、Raita Tero、Tanaka Y.‐M.、 et al.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 45 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2018GL079103
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Microscopic Observations of Pulsating Aurora Associated With Chorus Element Structures: Coordinated Arase Satellite‐PWING Observations (2018)
  • 著者名/発表者名: Ozaki M.、Shiokawa K.、Miyoshi Y.、Hosokawa K.、Oyama S.、Yagitani S.、Kasahara Y.、Kasaba Y.、Matsuda S.、Kataoka R.、Ebihara Y.、Ogawa Y.、Otsuka Y.、Kurita S.、Moore R. C.、Tanaka Y.‐M.、Nose M.、Nagatsuma T.、Connors M.、Nishitani N.、Katoh Y.、Hikishima M.、Kumamoto A.、Tsuchiya F.、et al.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 45 ページ: 12,125～12,134
  • DOI: 10.1029/2018GL079812
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Rapid Loss of Relativistic Electrons by EMIC Waves in the Outer Radiation Belt Observed by Arase, Van Allen Probes, and the PWING Ground Stations (2018)
  • 著者名/発表者名: Kurita S.、Miyoshi Y.、Shiokawa K.、Higashio N.、Mitani T.、Takashima T.、Matsuoka A.、Shinohara I.、Kletzing C. A.、Blake J. B.、Claudepierre S. G.、Connors M.、Oyama S.、Nagatsuma T.、Sakaguchi K.、Baishev D.、Otsuka Y.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 45 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2018GL080262
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Electrostatic Electron Cyclotron Harmonic Waves as a Candidate to Cause Pulsating Auroras (2018)
  • 著者名/発表者名: Fukizawa M.、Sakanoi T.、Miyoshi Y.、Hosokawa K.、Shiokawa K.、Katoh Y.、Kazama Y.、Kumamoto A.、Tsuchiya F.、Miyashita Y.、Tanaka Y. ‐M.、Kasahara Y.、Ozaki M.、Matsuoka A.、Matsuda S.、Hikishima M.、Oyama S.、Ogawa Y.、Kurita S.、Fujii R.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 45 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2018GL080145
  • 査読あり
• [学会発表] Science Objectives and Mission Plan of "FACTORS" with Multiple Compact Satellites for the Space-Earth Coupling Mechanisms (2018)
  • 著者名/発表者名: Masafumi Hirahara, Yoshifumi Saito, Hirotsugu Kojima, Naritoshi Kitamura, Kazushi Asamura, Takeshi Sakanoi, Ayako Matsuoka, Yoshizumi Miyoshi, Shin-ichiro Oyama, Yuichi Tsuda, Nobutaka Bando
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2018年大会
  • 国際学会
• [学会発表] SS-520-3 Sounding Rocket Experiment Targeting the Ion Outflow over the Cusp Region: Status Update (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoshifumi Saito, Yasunobu Ogawa, Hirotsugu Kojima
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2018年大会
  • 国際学会
• [学会発表] New insights found from coalescence of the ionospheric and thermospheric measurements at auroral latitudes (2018)
  • 著者名/発表者名: Shin-ichiro Oyama, Anita Aikio, Mark Conde, Heikki Vanhamaki, Ilkka Virtanen, Lei Cai, Ken Kubota, Takatoshi Morinaga, Takuo T. Tsuda, Junichi Kurihara, Miguel F Larsen, Masa-yuki Yamamoto, Masafumi Hirahara, Kazuo Shiokawa
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2018年大会
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Coordinated observations with the ground-based instruments and satellites to study energetic electron precipitation and auroral morphology at the substorm recovery phase (2018)
  • 著者名/発表者名: Oyama, Antti E. Kero, Craig Rodger, Mark A. Clilverd, Yoshizumi Miyoshi, Noora Partamies, Esa Turunen, Tero Raita, Pekka T. Verronen, Shinji Saito, Keisuke Hosokawa, Yasunobu Ogawa, Satoshi Kurita, Satonori Nozawa, Hiroshi Miyaoka, Yoshimasa Tanaka, and Ryoichi Fujii
  • 学会等名: International HEPPA-SOLARIS Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] New insights found from coalescence of the ionospheric and thermospheric measurements at auroral latitudes (2018)
  • 著者名/発表者名: Oyama, S., Mark G. Conde, Anita Aikio, Esa Turunen, Kirsti Kauristie, Heikki Vanhamaki, Ilkka Virtanen, Urban Brandstrom, Thomas Ulich, Lei Cai, Abiyot Workayehu, Kazuo Shiokawa, Mamoru Ishii, Masafumi Hirahara, Cristopher Fallen, Brenton J. Watkins
  • 学会等名: 45am Optical Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Japanese Space-Earth Coupling Exploration Mission by Multiple Polar-orbiting Compact Satellites and its Collaborations in Instrumentations and Ground-based Observations (2018)
  • 著者名/発表者名: Masafumi HIRAHARA, Yoshifumi SAITO, Hirotsugu KOJIMA, and Masatoshi YAMAUCHI
  • 学会等名: 45am Optical Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Reimei and FAST observations on acceleration and transport processes of the electrons and ions in the midnight auroral regions (2018)
  • 著者名/発表者名: Masafumi Hirahara, Naritoshi Kitamura
  • 学会等名: 第144回地球電磁気・地球惑星圏学会 総会・講演会
• [学会発表] かぐや搭載 MAP-PACE による超低高度における月プラズマの観測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 齋藤 義文, 西野 真木, 横田 勝一郎, 綱川 秀夫
  • 学会等名: 第144回地球電磁気・地球惑星圏学会 総会・講演会
• [学会発表] Simultaneous FPI and TMA Measurements of the Lower-thermospheric Wind in the Vicinity of the Poleward-expanding Aurora After Substorm Onset (2018)
  • 著者名/発表者名: Oyama, S., Ken KUBOTA, Takatoshi MORINAGA, Takuo TSUDA, Junichi KURIHARA, Miguel LARSEN, Masa-Yuki YAMAMOTO, Lei CAI
  • 学会等名: Asia Oceania Geosciences Society
  • 国際学会
• [学会発表] Dynamics of the polar thermospheric wind and substorm phases (2018)
  • 著者名/発表者名: Oyama, S., A. Aikio, L. Cai, M. G. Conde, E. Turunen, K. Kauristie, H. Vanhamaki, I. Virtanen, U. Brandstrom, T. Ulich, A. Workayehu, K. Shiokawa, Heqiucen Xu, M. Ishii, M. Hirahara, T. Sakanoi, Y. Tanaka, C. Fallen, B. J. Watkins, M. Orispaa, and Y. Ogawa
  • 学会等名: American Geophysical Union
  • 国際学会
• [学会発表] オーロラ高エネルギー粒子による大気微量成分への影響に関する研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: Oyama, S., Esa Turunen, Antti E. Kero, Pekka T. Verronen, Yoshizumi Miyoshi, Akira Mizuno, Craig Rodger, Mark Clilverd, Thomas Ulich, Noora Partamies, Masato Shiotani and Shinji Saito
  • 学会等名: 第1回JCAR北極域研究計画ワークショップ
• [学会発表] EISCAT_3Dと熱圏大気プロファイラを用いた極域磁気圏－電離圏－熱圏結合の研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: Oyama, S., Mark G. Conde, Anita Aikio, Esa Turunen, Kirsti Kauristie, Heikki Vanhamaki, Ilkka Virtanen, Urban Brandstrom, Thomas Ulich, Lei Cai, Abiyot Workayehu, Kazuo Shiokawa, Mamoru Ishii, Masafumi Hirahara, Cristopher Fallen, Brenton J. Watkins
  • 学会等名: 第1回JCAR北極域研究計画ワークショップ
• [学会発表] SDI-3D project: measurements of the thermosphere (2018)
  • 著者名/発表者名: Oyama, S., Mark G. Conde, Anita Aikio, Esa Turunen, Kirsti Kauristie, Heikki Vanhamaki, Ilkka Virtanen, Urban Brandstrom, Thomas Ulich, Lei Cai, Abiyot Workayehu, Kazuo Shiokawa, Mamoru Ishii, Masafumi Hirahara, Cristopher Fallen, Brenton J. Watkins
  • 学会等名: EISCAT_3D user meeting
• [学会発表] オーロラ高エネルギー粒子による大気微量成分への影響に関する研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: Oyama, S., Esa Turunen, Antti E. Kero, Pekka T. Verronen, Yoshizumi Miyoshi, Akira Mizuno, Craig Rodger, Mark Clilverd, Thomas Ulich, Noora Partamies, Masato Shiotani and Shinji Saito
  • 学会等名: 極域における宙空圏観測・研究の将来構想に関する研究集会
• [学会発表] SDI-3D project: measurements of the thermosphere (2018)
  • 著者名/発表者名: Oyama, S., Mark G. Conde, Anita Aikio, Esa Turunen, Kirsti Kauristie, Heikki Vanhamaki, Ilkka Virtanen, Urban Brandstrom, Thomas Ulich, Lei Cai, Abiyot Workayehu, Kazuo Shiokawa, Mamoru Ishii, Masafumi Hirahara, Takeshi Sakanoi, Yoshimasa Tanaka, Cristopher Fallen, and Brenton J. Watkins
  • 学会等名: 2nd Nordic Observatory Meeting
• [学会発表] SDI-3D project: MIT coupling study with the EISCAT_3D (2018)
  • 著者名/発表者名: Oyama, S., A. Aikio, M. G. Conde, H. Vanhamaki, I. Virtanen, T. Ulich, U. Brondstrom, P. Verronen, L. Roininen, Sari Lasanen, A. Workayehu, K. Shiokawa, Heqiucen Xu, M. Ishii, M. Hirahara, T. Sakanoi, Y. Tanaka, C. Fallen, B. J. Watkins, M. Orispaa, Y. Ogawa, L. Cai, E. Turunen, and K. Kauristie
  • 学会等名: Observatory Days 2019
• [備考] 名古屋大学・宇宙地球環境研究所 電磁気圏研究部 宇宙惑星空間探査グループ
  • URL: http://www.isee.nagoya-u.ac.jp/~hirahara/