磁気インピーダンスセンサーによる地磁気観測実験と稠密観測網展開可能性の探索

2019 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 17K18804
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 能勢 正仁 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 准教授 (90333559)
• 研究分担者: 松本 晴久 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 主幹研究開発員 (00425787) ; 小山 幸伸 近畿大学工業高等専門学校, 総合システム工学科 電気電子コース, 准教授 (50598513) ; 北村 健太郎 徳山工業高等専門学校, 機械電気工学科, 教授 (60380549) ; 松岡 彩子 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 (80270437)
• 研究期間 (年度): 2017-06-30 – 2021-03-31
• キーワード: 磁気インピーダンスセンサー / 地磁気 / 地磁気観測システム / フラックスゲート磁力計 / データロガー / AE指数

研究実績の概要

磁気インピーダンス(Magneto-Impedance (MI))センサーのメーカーであるアイチマイクロインテリジェント社の技術者と打ち合わせを通して、既製品のセンサーを地磁気計測に適したものとなるような改良を加えた。改良点は、(1)計測レンジの±80000 nTへの拡大、(2)パルス信号生成素子のセンサー基盤への搭載、(3)基盤のサイズを調整、の3点である。センサーを固定するための治具や、アナログ-デジタル変換器、Raspberry Piを使ったデータを記録するためのロガー、Pythonを使ったデータ表示プログラム、などを自作し、改良したセンサーと組み合わせて、観測システムのプロトタイプを完成させた。そのため、観測システム一式の製作価格は数十万円ほどである。そのシステムを用いて、愛知県豊川市や豊田市でテスト計測を行い、Sq変動や地磁気脈動など、自然の地磁気変動現象が問題なく観測できることを確認した。システムの詳細や計測結果は、学会や研究会などで発表した。
MIセンサーは、地上で地磁気観測を行うために開発・改良をはじめたものであるが、幸運なことに科学観測ロケット(LAMPロケット)に搭載し高度300-400 kmにおける磁場計測を行える機会が得られたため、そのロケットプロジェクトへの参加も同時に進行している。ロケットプロジェクトの研究者と連絡を取り合いながら、ロケット搭載のためにセンサー冶具、データ取得およびロケット共通バスとのやり取りを行う回路部分の設計や製作を行い、打ち上げ前の実験室でのテスト計測を行っている。

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

既製品の時期インピーダンスセンサーを、主磁場が大きい高緯度でも計測できるように計測レンジを広げたり、フィールドで用いることを前提に電子回路基板の枚数を減らしたり、というように地磁気計測に適したものに改良した。その後、地磁気3成分を取得できるように、3枚の基板を異なる方向に固定できるような治具を製作し、改良したセンサーを取り付けた。センサーの計測結果はアナログ信号として出力されるので、市販の手ごろな価格で手に入るアナログ-デジタル変換器を選定し、デジタル信号に変換した後、Raspberry Piを用いたデータロガーに取り込んで記録するようなシステムのプロトタイプを開発した。このプロトタイプシステムを用いて、2019年6月29日から7月3日に愛知県豊川市において、2020年2月13日から2月20日に愛知県豊田市において、実際に地磁気のフィールド計測を行った。地磁気の一日変動や、周期1-2分程度の地磁気脈動が計測できていることが確認できた。
さらには、科学観測ロケットへの搭載機会を得たため、搭載センサーコンポーネントおよび機上データ処理コンポーネントを製作し、その間のデータやり取りなどのテストなどを行った。

今後の研究の推進方策

当初の目的であった、安価な地磁気観測システムの製作に関しては、プロトタイプ製作やそれを用いたフィールド観測実施など、十分な成果が得られた。ただ、温度によって計測値が大きく変化する温度ドリフトの効果や、治具の製作精度やセンサーの取り付け精度に伴う計測軸の非直交度については、引き続き改良および較正する必要があると考えている。また、数日だけの計測ではなく、数年にわたるフィールド計測を行い、長期間のデータ取得とその評価を行うことが求められる。
現時点では、LAMPロケットの打ち上げは2021年初旬に予定されているので、MIセンサー搭載に向けての準備や、その後のデータ解析を行うつもりである。

次年度使用額が生じた理由

2019年度に、研究成果をまとめるための意見交換や議論を対面で行うつもりであったが、新型コロナウィルスの蔓延により、会合を開催することが不可能になったため。2020年度には、早期にノートPCを購入し。スムーズに研究成果をまとめたり、遠隔で会合を行ったりできるようにする計画である。

研究成果

• [雑誌論文] Selective acceleration of O+ by drift-bounce resonance in the Earth's magnetosphere: MMS observations (2020)
  • 著者名/発表者名: Oimatsu, S., M. Nose, G. Le, S. A. Fuselier, R. E. Ergun, P.-A. Lindqvist, and D. Sormakov, Selective acceleration of O+ by drift-bounce resonance in the Earth's magnetosphere: MMS observations
  • 雑誌名: J. Geophys. Res. 巻: 125 ページ: 1-14
  • DOI: 10.1029/2019JA027686
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Response of the ionosphere-plasmasphere coupling to the September 2017 storm: What erodes the plasmasphere so severely? (2019)
  • 著者名/発表者名: Obana, Y., N. Maruyama, A. Shinbori, K. K. Hashimoto, M. Fedrizzi, M. Nose, Y. Otsuka, N. Nishitani, T. Hori, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, S. Matsuda, A. Matsuoka, Y. Kasahara, A. Yoshikawa, Y. Miyoshi, and I. Shinohara
  • 雑誌名: Space Weather 巻: 17 ページ: 1-16
  • DOI: 10.1029/2019SW002168
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Meridional distribution of middle-energy protons and pressure-driven currents in the nightside inner magnetosphere: Arase observations (2019)
  • 著者名/発表者名: Imajo, S., M. Nose, S. Kasahara, S. Yokota, A. Matsuoka, K. Keika, T. Hori, M. Teramoto, K. Yamamoto, S. Oimatsu, R. Nomura, A. Fujimoto, I. Shinohara, and Y. Miyoshi
  • 雑誌名: J. Geophys. Res. 巻: 124 ページ: 5719?5733
  • DOI: 10.1029/2019JA026682
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct comparison between magnetospheric plasma waves and polar mesosphere winter echoes in both hemispheres (2019)
  • 著者名/発表者名: Tanaka, Y.-M., T. Nishiyama, A. Kadokura, M. Ozaki, Y. Miyoshi, K. Shiokawa, S.-I. Oyama, R. Kataoka, M. Tsutsumi, K. Nishimura, K. Sato, Y. Kasahara, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, M. Fukizawa, M. Hikishima, S. Matsuda, A. Matsuoka, I. Shinohara, M. Nose, T. Nagatsuma, M. Shinohara, A. Fujimoto, M. Teramoto, 他5名
  • 雑誌名: J. Geophys. Res. 巻: 124 ページ: 1-14
  • DOI: 10.1029/2019JA026891
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Remote detection of drift resonance between energetic electrons and ULF waves: Multi-satellite coordinated observation by Arase and Van Allen Probes (2019)
  • 著者名/発表者名: Teramoto, M., T. Hori, S. Saito, Y. Miyoshi, S. Kurita, N. Higashio, A. Matsuoka, Y. Kasahara, Y. Kasaba, T. Takashima, R. Nomura, M. Nose, A. Fujimoto, Y.-M. Tanaka, M. Shoji, Y. Tsugawa, M. Shinohara, I. Shinohara, J. B. Blake, J. F. Fennell, 他5名
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 46 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1029/2019GL084379
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Locally generated ULF waves in the Martian magnetosphere: MAVEN observations (2019)
  • 著者名/発表者名: Harada, Y, S. Ruhunusiri, J. S. Halekas, J. Espley, G. A. DiBraccio, J. P. McFadden, D. L. Mitchell, C. Mazelle, G. Collinson, D. A. Brain, T. Hara, M. Nose, S. Oimatsu, K. Yamamoto, and B. M. Jakosky
  • 雑誌名: J. Geophys. Res. 巻: 124 ページ: 1-20
  • DOI: 10.1029/2019JA027312
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Eastward propagating second harmonic poloidal waves triggered by temporary outward gradient of proton phase space density: Van Allen Probe A observation (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto, K., M. Nose, K. Keika, D. P. Hartley, C. W. Smith, R. J. MacDowall, L. J. Lanzerotti, D. G. Mitchell, H. E. Spence, G. D. Reeves, J. R. Wygant, J. W. Bonnell, and S. Oimatsu
  • 雑誌名: J. Geophys. Res. 巻: 124 ページ: 1-20
  • DOI: 10.1029/2019JA027158
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Multiple satellite observations of oxygen torus in the inner magnetosphere (2019)
  • 著者名/発表者名: Nose, M., A. Matsuoka, A. Kumamoto, Y. Kasahara, J. Goldstein, M. Teramoto, F. Tsuchiya, S. Matsuda, M. Shoji, S. Imajo, S. Oimatsu, K. Yamamoto, Y. Obana, R. Nomura, A. Fujimoto, I. Shinohara, Y. Miyoshi, W. S. Kurth, C. A. Kletzing, C. W. Smith, and R. J. MacDowall
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
  • 国際学会
• [学会発表] Application of magneto-impedance sensor to geomagnetic field measurements (2019)
  • 著者名/発表者名: Nose, M., R. Nomura, K. Asamura, H. Aoyama, T. Kawano, A. Matsuoka, K. Kitamura, Y. Koyama, H. Matsumoto, and M. Hirahara
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
  • 国際学会
• [学会発表] Recent activity of data publication and data citation in the international community of geomagnetism (2019)
  • 著者名/発表者名: Nose, M., and Y. Murayama
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
  • 国際学会
• [学会発表] Practice of research data management in solar-terrestrial physics (2019)
  • 著者名/発表者名: Nose, M.
  • 学会等名: The VarSITI Closing Symposium (VarSITI2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Status of the development of MIM onboard the LAMP rocket (2019)
  • 著者名/発表者名: Nose, M., R. Nomura, K. Asamura, H. Aoyama, T. Kawano, and M. Hirahara
  • 学会等名: Pulsating Aurora Workshop
• [学会発表] Longitudinal structure of oxygen torus and its coincidence with EMIC wave in the inner magnetosphere: Van Allen Probe B and Arase observations of the 12 September 2017 event (2019)
  • 著者名/発表者名: Nose, M., A. Matsuoka, A. Kumamoto, Y. Kasahara, J. Goldstein, M. Teramoto, F. Tsuchiya, S. Matsuda, M. Shoji, S. Imajo, S. Oimatsu, K. Yamamoto, Y. Obana, R. Nomura, A. Fujimoto, I. Shinohara, Y. Miyoshi, W. S. Kurth, C. A. Kletzing, C. W. Smith, and R. J. MacDowall
  • 学会等名: IUGG 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Application of magneto-impedance sensor to geomagnetic field measurements (2019)
  • 著者名/発表者名: Nose, M., R. Nomura, K. Asamura, H. Aoyama, T. Kawano, A. Matsuoka, K. Kitamura, Y. Koyama, H. Matsumoto, and M. Hirahara
  • 学会等名: IUGG 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Data publication and data citation in solar terrestrial physics in Japan (2019)
  • 著者名/発表者名: Nose, M., Y. Murayama, T. Kinoshita, Y. Koyama, M. Nishioka, M. Ishii, M. Kunitake, and K. Imai
  • 学会等名: IUGG 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Longitudinal structure of oxygen torus and its coincidence with EMIC wave in the inner magnetosphere: Van Allen Probe B and Arase observations of the 12 September 2017 event (2019)
  • 著者名/発表者名: Nose, M., A. Matsuoka, A. Kumamoto, Y. Kasahara, J. Goldstein, M. Teramoto, F. Tsuchiya, S. Matsuda, M. Shoji, S. Imajo, S. Oimatsu, K. Yamamoto, Y. Obana, R. Nomura, A. Fujimoto, I. Shinohara, Y. Miyoshi, W. S. Kurth, C. A. Kletzing, C. W. Smith, R. J. MacDowall, H. Spence, and G. Reeves
  • 学会等名: Ion Composition in the Sun-Earth System (ICSES) meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 地磁気擾乱と中性大気密度について (2019年5月-7月を中心にして) (2019)
  • 著者名/発表者名: 能勢正仁
  • 学会等名: 第1回STE現象報告会
• [学会発表] 地球科学におけるデータ出版・データ引用に向けての国際的な取り組み (2019)
  • 著者名/発表者名: 能勢正仁, 村山泰啓, 木下武也, 小山幸信, 西岡未知, 石井守, 國武学, 今井弘二
  • 学会等名: 日本地震学会2019年度秋季大会
  • 国際学会
• [学会発表] Longitudinal structure of oxygen torus and its coincidence with EMIC wave in the inner magnetosphere: Van Allen Probe B and Arase observations of the 12 September 2017 event (2019)
  • 著者名/発表者名: Nose, M., A. Matsuoka, A. Kumamoto, Y. Kasahara, J. Goldstein, M. Teramoto, F. Tsuchiya, S. Matsuda, M. Shoji, S. Imajo, S. Oimatsu, K. Yamamoto, Y. Obana, R. Nomura, A. Fujimoto, I. Shinohara, Y. Miyoshi, W. S. Kurth, C. A. Kletzing, C. W. Smith, R. J. MacDowall, H. Spence, and G. Reeves
  • 学会等名: あらせサイエンス会議
  • 招待講演
• [学会発表] Longitudinal structure of oxygen torus and its coincidence with EMIC wave in the inner magnetosphere: Van Allen Probe B and Arase observations of the 12 September 2017 event (2019)
  • 著者名/発表者名: Nose, M., A. Matsuoka, A. Kumamoto, Y. Kasahara, J. Goldstein, M. Teramoto, F. Tsuchiya, S. Matsuda, M. Shoji, S. Imajo, S. Oimatsu, K. Yamamoto, Y. Obana, R. Nomura, A. Fujimoto, I. Shinohara, Y. Miyoshi, W. S. Kurth, C. A. Kletzing, C. W. Smith, R. J. MacDowall, H. Spence, and G. Reeves
  • 学会等名: 第146回地球電磁気・地球惑星圏学会総会
• [備考] 能勢正仁のホームページ
  • URL: http://www.isee.nagoya-u.ac.jp/~nose.masahito
• [備考] Substorm Swift Search
  • URL: http://www.isee.nagoya-u.ac.jp/~nose.masahito/s-cubed/