あらせ衛星観測とシミュレーションによる放射線帯電子の非線形加速・散乱過程の理解

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H01959
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 三好 由純 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 教授 (10377781)
• 研究分担者: 松田 昇也 金沢大学, 電子情報通信学系, 准教授 (20772213) ; 加藤 雄人 東北大学, 理学研究科, 教授 (60378982) ; 齊藤 慎司 国立研究開発法人情報通信研究機構, 電磁波研究所電磁波伝搬研究センター, 研究員 (60528165) ; 栗田 怜 京都大学, 生存圏研究所, 准教授 (90785495)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 放射線帯 / 数値シミュレーション / あらせ衛星 / 波動粒子相互作用

研究実績の概要

地球周辺の高度1,000 kmから40,000 km付近の宇宙空間には、放射線帯（ヴァン・アレン帯）と呼ばれる高いエネルギーを持つ荷電粒子群が存在する。放射線帯に存在する電子群は、太陽からのプラズマ流（太陽風）の変化に応じて、その数が大きく増減する。「あらせ」衛星などによる新しい観測によって、非線形のプラズマ波動が電子の散乱や加速を引き起こし、放射線帯の電子の数が変化している様子が観測されてきた。しかし、衛星の観測データは衛星周辺の様子のみを計測するため、プラズマ波動が放射線帯の電子群全体に及ぼす影響はわかっていない。本研究では、特に低周波数コーラス(LBC)による非線形波動粒子相互作用のシミュレーションを行い、LBCがphase trappingと呼ばれる過程を通して、相対論的なエネルギーを持つ放射線帯電子のバタフライ分布の形成を引き起こすことを示し、学術誌で報告を行った（Saito and Miyoshi, 2022, Geophys. Res. Lett.)。また、非線形波動粒子相互作用によって、降下電子の散乱量が大きく抑制され、オーロラの発光が低減する可能性があることを指摘した。さらに、統計的散乱過程を確率微分方程式にもとづいて定式化し、テスト粒子計算に組み込むことで、一つのシミュレーションにおいて、非線形過程と準線形過程の両方を解き進めることができるコードの開発にも成功した。そのほか、「あらせ」衛星データ解析にもとづく波動粒子相互作用の研究を推進し、コーラス波動や電磁イオンサイクロトロン波動との非線形波動粒子相互作用の研究も推進した。一連の結果は、国内外の学会で報告するとともに、複数の学術誌において報告を行った。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

これまで、非線形波動粒子相互作用のシミュレーションを推進し、波動粒子相互作用に伴う電子の速度空間の変調過程の理解が大きく進んだ。特に、「あらせ」衛星の観測によって示されていたUpper Band Chorusが数十 keVの電子を短時間で加速する現象について、「あらせ」衛星のデータを初期条件として計算を行い、観測された数十 keV電子の加速とバタフライ分布と呼ばれる特徴的なピッチ角分布の形成を再現した。また、シミュレーション結果の詳しい分析から、Upper band chorus波動と電子との共鳴相互作用の際に、phase trappingと呼ばれる非線形波動粒子相互作用が発生し、電子のピッチ角とエネルギーが急激に増加することが明らかになった。このシミュレーションの結果をさらに発展させ、Lower band chorusと電子との非線形波動粒子相互作用によって、phase trappingが発生し、相対論的電子の加速とバタフライ分布の形成が起こることも予見した。これらの成果は学術論文に報告されており、当初の計画の想定を上回る成果であると判定している。

今後の研究の推進方策

非線形波動粒子相互作用が起こる場所を特定するためのアセスメント方法の開発を継続する。特にthrehold amplitude、およびoptimum amplitudeと呼ばれる非線形波動の励起、成長に関わる量を、グローバルモデルが計算した電子速度分布関数のモーメント計算と、背景のプラズマ密度、磁場強度から算出し、典型的なホイッスラーモード波動の強度を考慮した際に、非線形のトリガー波の励起が起こる場所を抽出する。抽出された場所に対して、非線形波動粒子相互作用のシミュレーションを行い、アセスメント結果が予見するような非線形コーラス波動の励起と成長が起こるかどうかを明らかにする。先行研究からは、非線形コーラス波動の励起は、速度分布関数の温度異方性、ならびに高温プラズマ密度と背景プラズマ密度の比に依存することが指摘されているが、グローバルモデルの計算にもとづくアセスメントの際には、特にこれらのパラメータに対する依存性に注目ｓいながら検討を行っていく。

研究成果

• [国際共同研究] ロスアラモス国立研究所(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ロスアラモス国立研究所
• [国際共同研究] チェコ科学アカデミー(チェコ)
  • 国名: チェコ
  • 外国機関名: チェコ科学アカデミー
• [雑誌論文] Whistler‐Mode Transmission Experiments in the Radiation Belts: DSX TNT Circuit Simulation and Data Analysis (2023)
  • 著者名/発表者名: Tu Jiannan、Song Paul、Galkin Ivan A.、Reinisch Bodo W.、Johnston William R.、Starks Michael J.、Su Yi‐Jiun、Cooke David、Ginet Gregory P.、Inan Umran S.、Lauben David S.、Miyoshi Yoshizumi、Matsuda Shoya、Kasahara Yoshiya、Kojima Hirotsugu、Shinohara Iku
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 128 ページ: e2022JA030564
  • DOI: 10.1029/2022JA030564
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Collaborative Research Activities of the Arase and Van Allen Probes (2022)
  • 著者名/発表者名: Miyoshi Y.、Shinohara I.、Ukhorskiy S.、Claudepierre S. G.、Mitani T.、Takashima T.、Hori T.、Santolik O.、Kolmasova I.、Matsuda S.、Kasahara Y.、Teramoto M.、Katoh Y.、Hikishima M.、Kojima H.、Kurita S.、Imajo S.、Higashio N.、Kasahara S.、Yokota S.、Asamura K.、Kazama Y.、Wang S.-Y.
  • 雑誌名: Space Science Reviews 巻: 218 ページ: 38
  • DOI: 10.1007/s11214-022-00885-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Statistical Study of Approaching Strong Diffusion of Low‐Energy Electrons by Chorus and ECH Waves Based on in-situ Observations (2022)
  • 著者名/発表者名: Fukizawa M.、Sakanoi T.、Miyoshi Y.、Kazama Y.、Katoh Y.、Kasahara Y.、Matsuda S.、Kumamoto A.、Tsuchiya F.、Matsuoka A.、Kurita S.、Nakamura S.、Shoji M.、Teramoto M.、Imajo S.、Shinohara I.、Wang S.‐Y.、Tam S. W.‐Y.、Chang T.‐F.、Wang B.‐J.、Jun C.‐W.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 127 ページ: e2022JA030269
  • DOI: 10.1029/2022JA030269
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Space-to-space very low frequency radio transmission in the magnetosphere using the DSX and Arase satellites (2022)
  • 著者名/発表者名: McCollough James P.、Miyoshi Yoshizumi、Ginet Gregory P.、Johnston William R.、Su Yi-Jiun、Starks Michael J.、Kasahara Yoshiya、Kojima Hirotsugu、Matsuda Shoya、Shinohara Iku、Song Paul
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 74 ページ: 64
  • DOI: 10.1186/s40623-022-01605-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Superfast precipitation of energetic electrons in the radiation belts of the Earth (2022)
  • 著者名/発表者名: Zhang Xiao-Jia、Artemyev Anton、Angelopoulos Vassilis、Tsai Ethan、Wilkins Colin、Kasahara Satoshi、Mourenas Didier、Yokota Shoichiro、Keika Kunihiro、Hori Tomoaki、Miyoshi Yoshizumi、Shinohara Iku、Matsuoka Ayako
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 ページ: 1611
  • DOI: 10.1038/s41467-022-29291-8
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] On the Importance of Using Event‐Specific Wave Diffusion Rates in Modeling Diffuse Electron Precipitation (2022)
  • 著者名/発表者名: Yu Yiqun、Hosokawa Keisuke、Ni Binbin、Jordanova Vania K.、Miyoshi Yoshizumi、Cao Jinbin、Tian Xingbin、Ma Longxing
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 127 ページ: e2021JA029918
  • DOI: 10.1029/2021JA029918
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Statistical Survey of Arase Satellite Data Sets in Conjunction With the Finnish Riometer Network (2022)
  • 著者名/発表者名: Thomas Neethal、Kero Antti、Miyoshi Yoshizumi、Shiokawa Kazuo、Hytyl Miikka、Raita Tero、Kasahara Yoshiya、Shinohara Iku、Matsuda Shoya、Nakamura Satoko、Kasahara Satoshi、Yokota Shoichiro、Keika Kunihiro、Hori Tomoaki、Mitani Takefumi、Takashima Takeshi、Asamura Kazushi、Kazama Yoichi
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 127 ページ: e2022JA030271
  • DOI: 10.1029/2022JA030271
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Slow Contraction of Flash Aurora Induced by an Isolated Chorus Element Ranging From Lower‐Band to Upper‐Band Frequencies in the Source Region (2022)
  • 著者名/発表者名: Ozaki Mitsunori、Yagitani Satoshi、Shiokawa Kazuo、Tanaka Yoshimasa、Ogawa Yasunobu、Hosokawa Keisuke、Kasahara Yoshiya、Ebihara Yusuke、Miyoshi Yoshizumi、Imamura Kousuke、Kataoka Ryuho、Oyama Shin‐ichiro、Chida Teppei、Kadokura Akira
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 49 ページ: e2021GL097597
  • DOI: 10.1029/2021GL097597
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Butterfly Distribution of Relativistic Electrons Driven by Parallel Propagating Lower Band Whistler Chorus Waves (2022)
  • 著者名/発表者名: Saito S.、Miyoshi Y.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 49 ページ: e2022GL099605
  • DOI: 10.1029/2022GL099605
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Analysis of Electron Precipitation and Ionospheric Density Enhancements Due To Hiss Using Incoherent Scatter Radar and Arase Observations (2022)
  • 著者名/発表者名: Ma Q.、Xu W.、Sanchez E. R.、Marshall R. A.、Bortnik J.、Reyes P. M.、Varney R. H.、Kaeppler S. R.、Miyoshi Y.、Matsuoka A.、Kasahara Y.、Matsuda S.、Tsuchiya F.、Kumamoto A.、Kasahara S.、Yokota S.、Keika K.、Hori T.、Mitani T.、Nakamura S.、Kazama Y.、Wang S.‐Y.、Jun C.‐W.、Shinohara I.、Tam S. W.‐Y.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 127 ページ: e2022JA030545
  • DOI: 10.1029/2022JA030545
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Proton aurora and relativistic electron microbursts scattered by electromagnetic ion cyclotron waves (2022)
  • 著者名/発表者名: Shumko Mykhaylo、Gallardo-Lacourt Bea、Halford Alexa Jean、Blum Lauren W.、Liang Jun、Miyoshi Yoshizumi、Hosokawa Keisuke、Donovan Eric、Mann Ian R.、Murphy Kyle、Spanswick Emma L.、Blake J. Bernard、Looper Mark D.、Gillies D. Megan
  • 雑誌名: Frontiers in Astronomy and Space Sciences 巻: 9 ページ: -
  • DOI: 10.3389/fspas.2022.975123
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] An event of extreme relativistic and ultra-relativistic electron enhancements following the arrival of consecutive corotating interaction regions: Coordinated observations by Van Allen Probes, Arase, THEMIS and Galileo satellites (2022)
  • 著者名/発表者名: Nasi Afroditi、Katsavrias Christos、Daglis Ioannis A.、Sandberg Ingmar、Aminalragia-Giamini Sigiava、Li Wen、Miyoshi Yoshizumi、Evans Hugh、Mitani Takefumi、Matsuoka Ayako、Shinohara Iku、Takashima Takeshi、Hori Tomoaki、Balasis Georgios
  • 雑誌名: Frontiers in Astronomy and Space Sciences 巻: 9 ページ: -
  • DOI: 10.3389/fspas.2022.949788
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Quantifying the Size and Duration of a Microburst‐Producing Chorus Region on 5 December 2017 (2022)
  • 著者名/発表者名: Elliott S. S.、Breneman A. W.、Colpitts C.、Pettit J. M.、Cattell C. A.、Halford A. J.、Shumko M.、Sample J.、Johnson A. T.、Miyoshi Y.、Kasahara Y.、Cully C. M.、Nakamura S.、Mitani T.、Hori T.、Shinohara I.、Shiokawa K.、Matsuda S.、Connors M.、Ozaki M.、Manninen J.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 49 ページ: e2022GL099655
  • DOI: 10.1029/2022GL099655
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Direct observations of energy transfer from resonant electrons to whistler-mode waves in magnetosheath of Earth (2022)
  • 著者名/発表者名: Kitamura N.、Amano T.、Omura Y.、Boardsen S. A.、Gershman D. J.、Miyoshi Y.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 ページ: 6259
  • DOI: 10.1038/s41467-022-33604-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Radiation Belt Daily Average Electron Flux Model (RB‐Daily‐E) From the Seven‐Year Van Allen Probes Mission and Its Application to Interpret GPS On‐Orbit Solar Array Degradation (2022)
  • 著者名/発表者名: Gabrielse Christine、Lee Justin H.、Claudepierre Seth、Walker Don、O’Brien Paul、Roeder James、Lao Yao、Grovogui Jann、Turner Drew L.、Runov Andrei、Boyd Alexander、Fennell Joseph、Blake J. Bernard、Lopez Kevin、Miyoshi Yoshizumi
  • 雑誌名: Space Weather 巻: 20 ページ: e2022SW003183
  • DOI: 10.1029/2022SW003183
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Distribution of ULF Wave Power in Magnetic Latitude and Local Time Using THEMIS and Arase Measurements (2022)
  • 著者名/発表者名: Sarris Theodore E.、Li Xinlin、Zhao Hong、Papadakis Kostis、Liu Wenlong、Tu Weichao、Angelopoulos Vassilis、Glassmeier Karl‐Heinz、Miyoshi Yoshizumi、Matsuoka Ayako、Shinohara Iku、Imajo Shun
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 127 ページ: e2022JA030469
  • DOI: 10.1029/2022JA030469
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Flux Enhancements of Field‐Aligned Low‐Energy O+ Ion (FALEO) in the Inner Magnetosphere: A Possible Source of Warm Plasma Cloak and Oxygen Torus (2022)
  • 著者名/発表者名: Nose M.、Matsuoka A.、Miyoshi Y.、Asamura K.、Hori T.、Teramoto M.、Shinohara I.、Hirahara M.、Kletzing C. A.、Smith C. W.、MacDowall R. J.、Spence H. E.、Reeves G. D.、Gjerloev J. W.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 127 ページ: e2021JA030008
  • DOI: 10.1029/2021JA030008
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Wave-Particle Interactions in Geospace (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Miyoshi, Y. Kasahara, H. Kojima, S. Kasahara, K. Asamura, Y. Kazama,
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 招待講演
• [学会発表] Relativistic Electron Microbursts as High energy Tail of Pulsating Aurora Electrons (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Miyoshi, S. Saito, S. Kurita, K. Asamura, T. Sakanoi, T. Mitani, Y. Ogawa, S-I. Oyama, F. Tsuchiya, M. Kawamura, K. Toyama, S. Jones, A. Jaynes, B. Blake
  • 学会等名: AOGS 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Multiple roles of plasma waves in the inner magnetosphere (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Miyoshi, Y. Kasahara, H. Kojima, S. Matsuda, S. Kurita, S. Saito, Y. Katoh, A. Matsuooka, I. Shinohara
  • 学会等名: ICEAA-IEEE-APWC-USNC-URSI-PSM
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Magnetosonic Mode Waves as a Souce of Plasmaspheric EMIC waves: Van Allen Probes and Arase observations (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Miyoshi, K. Asamura, M. Shoji, S. Matsuda, S. Kurita, Y. Kasahara, O. Santolik, R. Horne, Y. Kasaba, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, A. Matsuoka, and I. Shinohara
  • 学会等名: URSI-GA2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Rapid flux enhancement of relativistic electrons associated with dynamic pressure pulse of the solar wind (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Miyoshi, S. Saito, Y. Matsumoto, S. Kurita, T. Hori, S. Nakamura, M. Kitahara, M. Shoji, M. Teramoto, T. Amano, K. Seki, N. Higashio, I. Shinohara, T. Mitani, T. Takashima, Y. Kasahara, S. Matsuda, Y. Kasaba, and A. Matsuoka
  • 学会等名: AGU 2021
  • 国際学会 / 招待講演