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2017 年度 実績報告書

宇宙プラズマ中の電磁サイクロトロン波による電子加速散乱機構の実証的研究

研究課題

研究課題/領域番号 17H06140
研究機関京都大学

研究代表者

大村 善治  京都大学, 生存圏研究所, 教授 (50177002)

研究分担者 天野 孝伸  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (00514853)
篠原 育  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, 准教授 (20301723)
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)
研究期間 (年度) 2017-05-31 – 2022-03-31
キーワード電子加速 / 放射線帯 / 波動粒子相互作用 / プラズマ観測 / 非線形過程 / 磁気リコネクション / サイクロトロン波 / 計算機シミュレーション
研究実績の概要

放射線帯の形成過程のモデルとして、磁力線に沿って平行伝搬するコーラス波動が経度方向に局在している場合について計算手法の開発を行った。高エネルギー電子の分布関数として、エネルギー、赤道ピッチ角、緯度からなる3次元の分布関数を考え、平行伝搬コーラス波動と相互作用する電子のグリーン関数のデータベースを作成した。内部磁気圏に注入された高エネルギー電子(10-30keV)が緯度的に局在したコーラス波動により数MeVのエネルギーにまで加速されて、地球の周りに放射線帯が形成される過程を示すことに成功した。
あらせ衛星のデータ解析により、コーラス波動と高エネルギー電子が総合作用をし、ピッチ角散乱によってロスコーン内に入った電子が磁力線に沿って地球の超高層大気に降り込み、脈動オーロラを光らせている強い証拠を得ることに成功するなど、「あらせ」衛星に
よる波動ー粒子相互作用に関する観測データ解析が進んだ。
MMS衛星のデータ解析により、電磁イオンサイクロトロン波動とイオンが相互作用し、非線形理論で予想されるイオンホールが形成していることを直接かつ詳細に示すことに成功した。これは、磁気圏などにおけるコーラス波動と電子の非線形相互作用と対をなすもので、非線形波動粒子相互作用の理論の正しさを直接的に実証したものである。
一方、地球磁気圏昼側タイプの磁気リコネクションの振る舞いを粒子コードによる計算機シミュレーションで解析し、磁力線がつなぎ変わるX点付近で、電子の運動がカオス的になり、特異な分布関数が形成されることを見出した。
将来の宇宙空間における多点観測の実現を目指して、角度分解能は低いが超小型のアナライザー「カスプ型の小型低エネルギー電子分析器」を考案し、衛星に搭載可能な形状の設計を実施した。これにより、高い角度分解能を必要としない用途で小型軽量低エネルギー荷電粒子計測器を実現する目処をつけることができた。

現在までの達成度 (区分)
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

NASAから送られているMMS衛星のデータを保存するデータサーバーの導入が遅れて、次年度に導入することになったが、現状のデータ量は未だ多くないので、研究面での支障は出ていない。

今後の研究の推進方策

MMSのデータベースを構築するためのデータサーバーを2018年度初めに導入する。MMSおよび「あらせ」衛星のデータ解析を進める。MMSのデータ解析においては、太陽風中のホイッスラーモード波に的を絞って解析をおこなう。放射線帯のモデリングとしては、平行伝搬するコーラス波動に加えて、斜め伝搬するコーラス波動による加速機構を含めることができるように電子の軌道計算の手法を開発し、斜め伝搬の効果をグリーン関数に取り込んでゆく。また、放射線帯の相対論的電子は電磁イオンサイクロトロン(EMIC)波と共鳴して、非常に効率のよいピッチ角散乱を受けて極域大気へと降下することが分かっている。このEMIC波の発生頻度を推定する手段として地上観測も有効である。インドの地磁気観測所の研究グループとの共同研究として、南極における地磁気のデータを使ってEMIC波動の地上観測データについて解析を行う。

  • 研究成果

    (34件)

すべて 2018 2017 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (12件) (うち国際共著 4件、 査読あり 12件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (18件) (うち国際学会 15件、 招待講演 14件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] Czech Academy of Sciences(チェコ)

    • 国名
      チェコ
    • 外国機関名
      Czech Academy of Sciences
  • [国際共同研究] NASA Goddard Space Flight Center/Department of Physics, American Univ/Denali Scientific, Fairbanks(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      NASA Goddard Space Flight Center/Department of Physics, American Univ/Denali Scientific, Fairbanks
    • 他の機関数
      3
  • [国際共同研究] Indian Institute of Geomagnetism(インド)

    • 国名
      インド
    • 外国機関名
      Indian Institute of Geomagnetism
  • [雑誌論文] Dependence of Generation of Whistler Mode Chorus Emissions on the Temperature Anisotropy and Density of Energetic Electrons in the Earth's Inner Magnetosphere2018

    • 著者名/発表者名
      Katoh Y.、Omura Y.、Miyake Y.、Usui H.、Nakashima H.
    • 雑誌名

      Journal of Geophysical Research: Space Physics

      巻: 123 ページ: 1165~1177

    • DOI

      https://doi.org/10.1002/2017JA024801

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Nonlinear dynamics of resonant electrons interacting with coherent Langmuir waves2018

    • 著者名/発表者名
      Tobita Miwa、Omura Yoshiharu
    • 雑誌名

      Physics of Plasmas

      巻: 25 ページ: 032105~032105

    • DOI

      https://doi.org/10.1063/1.5018084

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Particle simulation of electromagnetic emissions from electrostatic instability driven by an electron ring beam on the density gradient2018

    • 著者名/発表者名
      Horky Miroslav、Omura Yoshiharu、Santolik Ondrej
    • 雑誌名

      Physics of Plasmas

      巻: 25 ページ: 042905~042905

    • DOI

      https://doi.org/10.1063/1.5025912

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Generation Process of Large-Amplitude Upper-Band Chorus Emissions Observed by Van Allen Probes2018

    • 著者名/発表者名
      Kubota Yuko、Omura Yoshiharu、Kletzing Craig、Reeves Geoffrey
    • 雑誌名

      Journal of Geophysical Research: Space Physics

      巻: 123 ページ: 3704~3713

    • DOI

      https://doi.org/10.1029/2017JA024782

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Nonlinear Dynamics of Radiation Belt Electrons Interacting With Chorus Emissions Localized in Longitude2018

    • 著者名/発表者名
      Kubota Yuko、Omura Yoshiharu
    • 雑誌名

      Journal of Geophysical Research: Space Physics

      巻: 123 ページ: 4835~4857

    • DOI

      https://doi.org/10.1029/2017JA025050

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Direct measurements of two-way wave-particle energy transfer in a collisionless space plasma2018

    • 著者名/発表者名
      Kitamura N.、Kitahara M.、Shoji M.、Miyoshi Y.、Hasegawa H.、Nakamura S.、Katoh Y.、Saito Y.、Yokota S.、Gershman D. J.、Vinas A. F.、Giles B. L.、Moore T. E.、Paterson W. R.、Pollock C. J.、Russell C. T.、Strangeway R. J.、Fuselier S. A.、Burch J. L.
    • 雑誌名

      Science

      巻: 361 ページ: 1000~1003

    • DOI

      https://doi.org/10.1126/science.aap8730

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Data processing in Software-type Wave?Particle Interaction Analyzer onboard the Arase satellite2018

    • 著者名/発表者名
      Hikishima Mitsuru、Kojima Hirotsugu、Katoh Yuto、Kasahara Yoshiya、Kasahara Satoshi、Mitani Takefumi、Higashio Nana、Matsuoka Ayako、Miyoshi Yoshizumi、Asamura Kazushi、Takashima Takeshi、Yokota Shoichiro、Kitahara Masahiro、Matsuda Shoya
    • 雑誌名

      Earth, Planets and Space

      巻: 70 ページ: 1~12

    • DOI

      https://doi.org/10.1186/s40623-018-0856-y

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A generalized quasi-neutral fluid-particle hybrid plasma model and its application to energetic-particle-magnetohydrodynamics hybrid simulation2018

    • 著者名/発表者名
      Amano Takanobu
    • 雑誌名

      Journal of Computational Physics

      巻: 366 ページ: 366~385

    • DOI

      https://doi.org/10.1016/j.jcp.2018.04.020

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Pulsating aurora from electron scattering by chorus waves2018

    • 著者名/発表者名
      Kasahara S.、Miyoshi Y.、Yokota S.、Mitani T.、Kasahara Y.、Matsuda S.、Kumamoto A.、Matsuoka A.、Kazama Y.、Frey H. U.、Angelopoulos V.、Kurita S.、Keika K.、Seki K.、Shinohara I.
    • 雑誌名

      Nature

      巻: 554 ページ: 337~340

    • DOI

      doi:10.1038/nature25505

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Density Depletions Associated With Enhancements of Electron Cyclotron Harmonic Emissions: An ERG Observation2018

    • 著者名/発表者名
      Kazama Y.、Kojima H.、Miyoshi Y.、Kasahara Y.、Usui H.、Wang B.‐J.、Wang S.‐Y.、Tam S. W. Y.、Chang T.‐F.、Ho P. T. P.、Asamura K.、Kumamoto A.、Tsuchiya F.、Kasaba Y.、Matsuda S.、Shoji M.、Matsuoka A.、Teramoto M.、Takashima T.、Shinohara I.
    • 雑誌名

      Geophysical Research Letters

      巻: 45 ページ: 10,075~10,083

    • DOI

      doi:10.1029/2018gl080117

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Deformation of Electron Pitch Angle Distributions Caused by Upper Band Chorus Observed by the Arase Satellite2018

    • 著者名/発表者名
      Kurita S.、Miyoshi Y.、Kasahara S.、Yokota S.、Kasahara Y.、Matsuda S.、Kumamoto A.、Matsuoka A.、Shinohara I.
    • 雑誌名

      Geophysical Research Letters

      巻: 45 ページ: 7996~8004

    • DOI

      doi:10.1029/2018gl079104

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Study of Wave-Particle Interactions for Whistler Mode Waves at Oblique Angles by Utilizing the Gyroaveraging Method2017

    • 著者名/発表者名
      Hsieh Yi-Kai、Omura Yoshiharu
    • 雑誌名

      Radio Science

      巻: 52 ページ: 1268~1281

    • DOI

      https://doi.org/10.1002/2017RS006245

    • 査読あり
  • [学会発表] Generation Mechanism of Whistler-mode Hiss Emissions2018

    • 著者名/発表者名
      Y. Omura
    • 学会等名
      VERSIM 2018
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Formation Process of the Outer Radiation Belt Through Nonlinear Interaction with Chorus Emissions Localized in Longitude2018

    • 著者名/発表者名
      Y. Omura
    • 学会等名
      AOGS 2018
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Formation Process of the Outer Radiation Belt Through Nonlinear Interaction with Chorus Emissions Localized in Longitude2018

    • 著者名/発表者名
      Y. Omura
    • 学会等名
      JpGU 2018
    • 招待講演
  • [学会発表] Electron Particle Dynamics in Collisionless Magnetic Reconnection2018

    • 著者名/発表者名
      S. Zenitani
    • 学会等名
      The 13th International School / Symposium for Space Simulations (ISSS-13),
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] MMS 衛星の観測成果と磁気圏リコネクションの運動論物理2018

    • 著者名/発表者名
      銭谷誠司
    • 学会等名
      実験室宇宙・天体プラズマ物理学に関する研究集会
    • 招待講演
  • [学会発表] 無衝突磁気リコネクションにおける粒子運動ダイナミクス2018

    • 著者名/発表者名
      銭谷誠司
    • 学会等名
      高エネルギー宇宙物理学研究会 2018
    • 招待講演
  • [学会発表] Non-resonant acceleration of He+ by EMIC waves observed by MMS in the magnetosphere2018

    • 著者名/発表者名
      北村成寿
    • 学会等名
      Japan Geoscience Union (JpGU) Meeting 2018
    • 国際学会
  • [学会発表] Direct measurements of two-way energy transfer between EMIC waves and ions observed by the MMS spacecraft in the outer magnetosphere2018

    • 著者名/発表者名
      北村成寿
    • 学会等名
      GEM Summer Workshop
    • 国際学会
  • [学会発表] Particle Acceleration in Relativistic Plasmas2018

    • 著者名/発表者名
      T. Amano
    • 学会等名
      Dawn of a New Era for Black Hole Jets in Active Galaxies
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Cosmic-Ray Acceleration via Astrophysical Coherent Radiation2018

    • 著者名/発表者名
      T. Amano
    • 学会等名
      20th International Symposium on Very High Energy Cosmic Ray Interactions (ISVHECRI)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Importance of Microsatellite Mission in the Field of Solar Terrestrial2018

    • 著者名/発表者名
      Y. Saito
    • 学会等名
      Asia Oceania Geosciences Society 15th Annual Meeting (AOGS2018)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Miniaturized Plasma Wave Receiver System Targeting the use in Micro- and Nano-satellites2017

    • 著者名/発表者名
      Kojima, H., M. Ozaki, Y. Kasahara, S. Yagitani, T. Zushi, Y. Tokunaga, and T. Takahashi
    • 学会等名
      The 3rd COSPAR Symposium (COSPAR Symposium 2017)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Electron particle dynamics in collisionless magnetic reconnection2017

    • 著者名/発表者名
      S. Zenitani
    • 学会等名
      7th East-Asia School and Workshop on Laboratory, Space, and Astrophysical Plasmas (EASW-7)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Electron particle dynamics in collisionless magnetic reconnection2017

    • 著者名/発表者名
      S. Zenitani
    • 学会等名
      IAPSO-IAMAS-IAGA scientific assembly
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Electron particle dynamics in collisionless magnetic reconnection2017

    • 著者名/発表者名
      S. Zenitani
    • 学会等名
      AAPPS-DPP2017 1st Asia- Pacific Conference on Plasma Physics
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Direct measurements of energy exchange between EMIC waves and ions in the magnetosphere2017

    • 著者名/発表者名
      北村成寿
    • 学会等名
      MMS 2nd Science Community Workshop
    • 国際学会
  • [学会発表] Direct Measurements of Energy Transfer between Hot Protons and He+ via EMIC Waves Observed by MMS in the Outer Magnetosphere2017

    • 著者名/発表者名
      北村成寿
    • 学会等名
      AGU fall meeting 2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Energetic electrons observed in higher latitude regions of the plasma sheet near the outer radiation belt2017

    • 著者名/発表者名
      I. Shinohara
    • 学会等名
      AGU Fall Meeting 2017
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] PCWAVE: 宇宙プラズマ中の電磁サイクロトロン波による 電子加速散乱機構の実証的研究

    • URL

      http://pcwave.rish.kyoto-u.ac.jp/

URL: 

公開日: 2019-12-27  

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