粒子加速過程の直接計測による惑星放射線帯生成モデルの実証

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H03727
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 加藤 雄人 東北大学, 理学研究科, 教授 (60378982)
• 研究分担者: 笠原 慧 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (00550500)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 宇宙プラズマ・プラズマ波動 / 地球惑星磁気圏 / 太陽地球システム・宇宙天気 / オーロラ・磁気嵐

研究実績の概要

本研究は、磁化天体に普遍的な高エネルギー粒子加速機構を解明することを最終目的として、宇宙空間で生じる電磁波と粒子との間のエネルギー交換過程について究明した。目的を達成するために本研究では、【１】あらせ衛星を中心とした地球磁気圏・放射線帯領域での衛星観測データを用いた解析研究、【２】大規模計算機実験による惑星電磁圏での波動・粒子間の共鳴過程の究明、【３】WPIA機上ソフトウェアの最適化とWPIA手法の確立、をそれぞれ実施した。
2019年度は課題【１】に関して、あらせ衛星による観測結果の解析により、ホイッスラーモード・コーラス放射と数keV-数十keVのエネルギー帯の電子との共鳴現象を捉えたイベントの事例解析ならびに統計解析を実施した。特に、ピッチ角散乱により大気へ降下する電子とコーラス放射の波動強度との対応に高い相関が見られること、コーラス放射の波動強度ががPc-5帯のULF波動と同期して増幅するイベントが見出され、数十keV帯の電子の温度異方性ならびにフラックスがULF波動によって大きな変調を受けることにより生じていることなどを明らかとした。課題【２】に関して、コヒーレントなホイッスラーモード波動による低ピッチ角電子の共鳴現象に関する計算機シミュレーションを実施して、ピッチ角の小さい電子に対して生じる特異な非線形過程の存在を見出し、ピッチ角が大きく変動する要因を理論的に明らかとした。課題【３】に関して、前年度までに検討した「位相の連続性」を保証するために最適なフィルタや波形処理フローを、WPIA処理に取り入れ、処理結果に及ぼされる影響を検討した。木星氷衛星探査ミッションJUICEにおけるS-WPIAでの解析フローについて、JUICE搭載機器の仕様に基づいた観測シーケンスを検討し確立した。以上成果は8編の学術論文ならびに招待講演7件を含む30件の国内外での学会・研究会での発表として公表した。

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

本研究で中心課題としている衛星データ解析研究、シミュレーション研究、WPIA手法の検討のそれぞれについて当初の計画通りに進められており、成果も既に上がっている。研究組織内での議論は円滑に進められており、当初の研究計画に対して順調に進展していると判断される。

今後の研究の推進方策

研究は順調に進展しており、次年度も当初の研究計画に従って研究を遂行する方針である。

研究成果

• [国際共同研究] 宇宙科学研究所(スウェーデン)
  • 国名: スウェーデン
  • 外国機関名: 宇宙科学研究所
• [国際共同研究] テキサス大学ダラス校(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: テキサス大学ダラス校
• [国際共同研究] 台湾・国立中央大学(その他の国・地域)
  • 国名: その他の国・地域
  • 外国機関名: 台湾・国立中央大学
• [雑誌論文] Comprehensive Observations of Substorm‐Enhanced Plasmaspheric Hiss Generation, Propagation, and Dissipation (2020)
  • 著者名/発表者名: Liu, N., Z. Su, Z. Gao, H. Zheng, Y. Wang, S. Wang, Y. Miyoshi, I. Shinohara, Y. Kasahara, et al.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 47 ページ: －
  • DOI: 10.1029/2019GL086040
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Anomalous Trapping of Low Pitch Angle Electrons by Coherent Whistler Mode Waves (2019)
  • 著者名/発表者名: Kitahara M.、Katoh Y.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 124 ページ: 5568～5583
  • DOI: 10.1029/2019JA026493
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Systematic Study in Characteristics of Lower Band Rising‐Tone Chorus Elements (2019)
  • 著者名/発表者名: Shue Jih‐Hong、Nariyuki Yasuhiro、Katoh Yuto、Saito Shinji、Kasahara Yoshiya、Hsieh Yi‐Kai、Matsuda Shoya、Goto Yoshitaka
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 124 ページ: 9003～9016
  • DOI: 10.1029/2019JA027368
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Strong Diffusion of Energetic Electrons by Equatorial Chorus Waves in the Midnight‐to‐Dawn Sector (2019)
  • 著者名/発表者名: Kasahara S.、Miyoshi Y.、Kurita S.、Yokota S.、Keika K.、Hori T.、Kasahara Y.、Matsuda S.、Kumamoto A.、Matsuoka A.、Seki K.、Shinohara I.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 46 ページ: 12685～12692
  • DOI: 10.1029/2019GL085499
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cusp and Nightside Auroral Sources of O + in the Plasma Sheet (2019)
  • 著者名/発表者名: Kistler L. M.、Mouikis C. G.、Asamura K.、Yokota S.、Kasahara S.、Miyoshi Y.、Keika K.、Matsuoka A.、Shinohara I.、Hori T.、Kitamura N.、Petrinec S. M.、Cohen I. J.、Delcourt D. C.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 124 ページ: 10036～10047
  • DOI: 10.1029/2019JA027061
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Statistical Properties of Molecular Ions in the Ring Current Observed by the Arase (ERG) Satellite (2019)
  • 著者名/発表者名: Seki K.、Keika K.、Kasahara S.、Yokota S.、Hori T.、Asamura K.、Higashio N.、Takada M.、Ogawa Y.、Matsuoka A.、Teramoto M.、Miyoshi Y.、Shinohara I.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 46 ページ: 8643～8651
  • DOI: 10.1029/2019GL084163
  • 査読あり
• [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.、Nose M.、Kasahara S.、Yokota S.、Matsuoka A.、Keika K.、Hori T.、Teramoto M.、Yamamoto K.、Oimatsu S.、Nomura R.、Fujimoto A.、Shinohara I.、Miyoshi Y.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 124 ページ: 5719～5733
  • DOI: 10.1029/2019JA026682
  • 査読あり
• [雑誌論文] Acceleration of Ions in Jovian Plasmoids: Does Turbulence Play a Role? (2019)
  • 著者名/発表者名: Kronberg E. A.、Grigorenko E. E.、Malykhin A.、Kozak L.、Petrenko B.、Vogt M. F.、Roussos E.、Kollmann P.、Jackman C. M.、Kasahara S.、Malova Kh. V.、Tao C.、Radioti A.、Masters A.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 124 ページ: 5056～5069
  • DOI: 10.1029/2019JA026553
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Cross-reference simulations by scalable communication library for the study of wave-particle interactions in planetary magnetospheres (2019)
  • 著者名/発表者名: Katoh, Y., K. Fukazawa, T. Nanri, and Y. Miyake
  • 学会等名: Asia Oceania Geosciences Society (AOGS) 16th Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Theory and computer simulations on whistler-mode chorus emissions and related wave-particle interactions in planetary magnetospheres (2019)
  • 著者名/発表者名: Katoh, Y.
  • 学会等名: 2019 URSI-Japan Radio Science Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Simulation study of the whistler-mode chorus generation in the Earth's inner magnetosphere (2019)
  • 著者名/発表者名: Katoh, Y. and Y. Omura
  • 学会等名: 3rd Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Modulation of the whistler-mode chorus generation by ULF waves in the inner magnetosphere (2019)
  • 著者名/発表者名: Katoh, Y. and L. Chen
  • 学会等名: American Geophysical Union 2019 Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Cross-Reference Simulation by Code-To-Code Adapter (CoToCoA) Library for the Study of Planetary Magnetospheres (2019)
  • 著者名/発表者名: Katoh, Y., K. Fukazawa, T. Nanri, Y. Miyake
  • 学会等名: High Performance Computing in Asia-Pacific Region (HPC Asia 2020)
  • 国際学会
• [学会発表] Cross-reference simulations by scalable communication library for the study of wave-particle interactions in planetary magnetospheres (2019)
  • 著者名/発表者名: Katoh, Y., K. Fukazawa, T. Nanri, and Y. Miyake
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] ULF wave modulation of the whistler-mode chorus generation in the inner magnetosphere (2019)
  • 著者名/発表者名: Katoh, Y., L. Chen
  • 学会等名: 第146回地球電磁気・地球惑星圏学会講演会
• [学会発表] Theory and simulation of anomalous trapping of low pitch angle electrons by whistler mode chorus emissions (2019)
  • 著者名/発表者名: Kitahara, M. and Y. Katoh
  • 学会等名: American Geophysical Union Fall Meeting 2019
  • 国際学会
• [学会発表] あらせ衛星搭載の PWE/WFC によって計測した波形データの較正手法の評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 北原 理弘, 松田 昇也, 加藤 雄人, 笠原 禎也, 小嶋 浩嗣, 疋島 充
  • 学会等名: 第146回地球電磁気・地球惑星圏学会講演会
• [学会発表] Arase 衛星 S-WPIA 解析におけるプラズマ波動及び粒子の較正に関する評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 三木 淳平, 小嶋 浩嗣, 加藤 雄人, 松田 昇也, 笠原 禎也, 西澤 宏幸, 疋島 充, 栗田 怜, 北原 理弘, 笠原 慧, 三好 由純, 熊本 篤志, 松岡 彩子, 横田 勝一郎, 堀 智昭, 桂華 邦裕
  • 学会等名: 第146回地球電磁気・地球惑星圏学会講演会
• [学会発表] Statistical study of EMIC wave-related electron precipitation at subauroral latitude (2019)
  • 著者名/発表者名: Asuka Hirai, Fuminori Tsuchiya, Takahiro Obara, Yasumasa Kasaba, Yuto Katoh, Hiroaki Misawa, Kazuo Shiokawa, Yoshizumi Miyoshi, Satoshi Kurita, Martin Connors
  • 学会等名: 第146回地球電磁気・地球惑星圏学会講演会
• [学会発表] Pc4-5 帯 ULF 波動とのドリフト共鳴による高エネルギー電子の変動とコーラス放射の強度変調について (2019)
  • 著者名/発表者名: 大野 敦裕, 加藤 雄人, 寺本 万里子, 熊本 篤志, 土屋 史紀, 笠原 禎也, 松田 昇也, 松岡 彩子, 三谷 烈史, 堀 智昭, 笠原 慧, 横田 勝一郎, 桂華 邦裕, 三好 由純, 篠原 育
  • 学会等名: 第146回地球電磁気・地球惑星圏学会講演会
• [学会発表] Elastic collisions between magnetospheric electrons and neutral H2O molecules in the Enceladus torus by test particle simulation (2019)
  • 著者名/発表者名: Tadokoro, H., and Y. Katoh
  • 学会等名: 第146回地球電磁気・地球惑星圏学会講演会
• [学会発表] Development of cross-reference framework for macro- and micro-scale simulations of the magnetosphere (2019)
  • 著者名/発表者名: Keiichiro Fukazawa, Yuto Katoh, Takeshi Nanri, Yohei Miyake
  • 学会等名: 第146回地球電磁気・地球惑星圏学会講演会
• [学会発表] Pitch angle scattering due to elastic collisions between magnetospheric 500eV-50keV electrons and neutral H2O originated from Enceladus: Test particle simulation (2019)
  • 著者名/発表者名: Tadokoro, H. and Y. Katoh
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] Conjugated quasi-periodic ELF/VLF emissions between the Arase satellite and both Van Allen Probes (2019)
  • 著者名/発表者名: Claudia Martinez Calderon, Frantisek Nemec, Kazuo Shiokawa, Yuto Katoh, Yoshiya Kasahara, Shoya Matsuda, Fuminori Tsuchiya, Atsushi Kumamoto, Mariko Teramoto, Ayako Matsuoka, Yoshizumi Miyoshi, Ondrej Santolik, George Hospodarksy
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] The Radio & Plasma Wave Investigation (RPWI) for JUICE for the investigation of Jupiter and Icy Moons System: Contributions from Japan (2019)
  • 著者名/発表者名: Yasumasa Kasaba, Hiroaki Misawa, Fuminori Tsuchiya, Atsushi Kumamoto, Yuto Katoh, Tomoki Kimura, Hajime Kita, J.-E. Wahlund
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] Statistical study of IPDP type EMIC wave-related electron precipitation at subauroral latitude (2019)
  • 著者名/発表者名: Asuka Hirai, Fuminori Tsuchiya, Takahiro Obara, Yasumasa Kasaba, Yuto Katoh, Hiroaki Misawa, Kazuo Shiokawa, Yoshizumi Miyoshi, Satoshi Kurita, Martin G Connors
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] Calibration of electric fields dedicated to the measurement of the S-WPIA of the Arase Satellite (2019)
  • 著者名/発表者名: Miki Jumpei, Hirotsugu Kojima, Yuto Katoh, Shoya Matsuda, Yoshiya Kasahara, Mitsuru Hikishima, Satoshi Kurita, Masahiro Kitahara, Satoshi Kasahara, Yoshizumi Miyoshi, Atsushi Kumamoto, Ayako Matsuoka, Shoichiro Yokota, Tomoaki Hori, Kunihiro Keika
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] Enhancement of whistler-mode chorus in association with Pc 4-5 ULF waves and related variation of high energy electrons (2019)
  • 著者名/発表者名: Atsuhiro Ono, Yuto Katoh, Atsushi Kumamoto, Fuminori Tsuchiya, Mariko Teramoto, Yoshiya Kasahara, Shoya Matsuda, Ayako Matsuoka, Takefumi Mitani, Tomoaki Hori, Satoshi Kasahara, Shoichiro Yokota, Kunihiro Keika, Yoshizumi Miyoshi, Iku Shinohara
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [学会発表] Electron scattering by chorus waves as seen by ERG (2019)
  • 著者名/発表者名: Kasahara, S., Y. Miyoshi, S. Kurita, S. Yokota, K. Keika, T. Hori, Y. Kasahara, S. Matsuda, A. Kumamoto, A. Matsuoka, K. Seki, T. Mitani, Y. Kazama, H. U. Frey, V. Angelopoulos, I. Shinohara
  • 学会等名: ERG Science and Space Weather Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Pulsating aurora from electron scattering by chorus waves (2019)
  • 著者名/発表者名: Kasahara, S., Y. Miyoshi, S. Kurita, S. Yokota, K. Keika, T. Hori, Y. Kasahara, S. Matsuda, A. Kumamoto, A. Matsuoka, K. Seki, T. Mitani, Y. Kazama, H. U. Frey, V. Angelopoulos, I. Shinohara
  • 学会等名: American Geophysical Union Fall Meeting 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Electron scattering by chorus waves as seen by ERG (2019)
  • 著者名/発表者名: Kasahara, S., Y. Miyoshi, S. Kurita, S. Yokota, K. Keika, T. Hori, Y. Kasahara, S. Matsuda, A. Kumamoto, A. Matsuoka, K. Seki, T. Mitani, Y. Kazama, H. U. Frey, V. Angelopoulos, I. Shinohara
  • 学会等名: ISEE-KASI workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Medium-Energy Particle experiments (MEPs) onboard ERG (Arase) for substorm observations (2019)
  • 著者名/発表者名: Kasahara, S., S. Yokota, T. Mitani, K. Asamura, M. Hirahara, T. Takashima, K. Keika, T. Hori, Y. Miyoshi, I. Shinohara
  • 学会等名: International Conference on Substorm
  • 国際学会
• [学会発表] Electron Scattering by Chorus Waves Generating Pulsating Aurora (2019)
  • 著者名/発表者名: Kasahara, S., Y. Miyoshi, S. Yokota, T. Mitani, Y. Kasahara, S. Matsuda, A. Kumamoto, A. Matsuoka, Y. Kazama, H. U. Frey, V. Angelopoulos, S. Kurita, K. Keika, K. Seki, I. Shinohara
  • 学会等名: Asia Oceania Geosciences Society (AOGS) 16th Annual Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Pulsating aurora from electron scattering by chorus waves (2019)
  • 著者名/発表者名: Kasahara, S., Y. Miyoshi, S. Yokota, T. Mitani, Y. Kasahara, S. Matsuda, A. Kumamoto, A. Matsuoka, Y. Kazama, H. U. Frey, V. Angelopoulos, S. Kurita, K. Keika, K. Seki, I. Shinohara
  • 学会等名: Magnetospheres of Outer Planets
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Pulsating aurora from electron scattering by chorus waves (2019)
  • 著者名/発表者名: Kasahara, S., Y. Miyoshi, S. Yokota, T. Mitani, Y. Kasahara, S. Matsuda, A. Kumamoto, A. Matsuoka, Y. Kazama, H. U. Frey, V. Angelopoulos, S. Kurita, K. Keika, K. Seki, I. Shinohara
  • 学会等名: EGU General Assembly 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Strong diffusion of energetic electrons by equatorial chorus waves in the midnight-dawnside magnetosphere (2019)
  • 著者名/発表者名: Kasahara, S., Y. Miyoshi, S. Kurita, S. Yokota, K. Keika, T. Hori, Y. Kasahara, S. Matsuda, A. Kumamoto, A. Matsuoka, K. Seki, I. Shinohara
  • 学会等名: 第146回地球電磁気・地球惑星圏学会講演会
• [学会発表] 放射線帯におけるWhistler chorus波動による電子のピッチ角散乱：strong diffusionの緯度分布 (2019)
  • 著者名/発表者名: Kasahara, S., Y. Miyoshi, S. Kurita, S. Yokota, K. Keika, T. Hori, Y. Kasahara, S. Matsuda, A. Kumamoto, A. Matsuoka, K. Seki, I. Shinohara
  • 学会等名: ERG衛星粒子観測データ解析ワークショップ
• [学会発表] Electron scattering by isolated chorus elements observed near the magnetospheric equator (2019)
  • 著者名/発表者名: Kasahara, S., Y. Miyoshi, S. Yokota, Y. Kasahara, S. Matsuda, A. Matsuoka, K. Keika, T. Hori, and I. Shinohara
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2019年大会
  • 招待講演