あらせ衛星-地上連携観測とレイトレイシングを用いた熱的プラズマの特性解析

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H01146
• 研究機関: 金沢大学
• 研究代表者: 笠原 禎也 金沢大学, 学術メディア創成センター, 教授 (50243051)
• 研究分担者: 土屋 史紀 東北大学, 理学研究科, 教授 (10302077) ; 淺村 和史 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 (50321568)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: プラズマ波動 / 熱的プラズマ / あらせ衛星 / イオンサイクロトロン波 / レイトレイシング

研究実績の概要

磁気圏プラズマの大勢を占める熱的プラズマは、地球内部磁気圏の電磁特性を決める重要な役割を果たすが、現在の衛星観測技術では実測困難である。本研究課題は、電子密度やイオン組成がプラズマ波の伝搬特性に影響を与えることに着目し、波動の伝搬特性から磁気圏内のプラズマ密度や熱的イオンの組成を逆推定することをめざす。
今年度は、磁気圏プラズマ中を伝搬するプラズマ波の伝搬通路を理論的に求めるレイトレイシング法の汎用化ならびに改良を進めた。従来法では、レイトレイシングコード内で、波の伝搬通路に沿って背景磁場（地球磁場）ベクトルとプラズマ密度を逐次計算していたが、より現実に近い磁気圏電子密度モデルであるGCPM（Global Core Plasma Model）は計算負荷が大きいこと、また伝搬通路計算の結果をプラズマ密度プロファイルの補正にフィードバックするため、GCPM計算部をレイトレイシングから分離し、大量のレイパス計算の高速化と、補正パラメータを密度プロファイルに容易に取り込める改良を加えた。その後、あらせ衛星で観測された雷起源ホイスラの伝搬遅延特性を、高度方向の補正関数を導入した密度モデルを用いたレイトレイシングで再現することに成功し、その有効性を実証した。
他方、あらせ衛星によるプラズマ波動観測データの解析においても、到来方向推定法の改良とその精度評価、波動種別ごとの3次元空間分布の解析等を進めている。
今後、EMIC波の伝搬特性に大きく影響を与えるイオン組成比の補正や、プラズマ密度のダクト構造をレイトレイシングコードに取り込み、EMIC波をはじめとする各種プラズマ波動の伝搬特性と、電子密度や熱的イオン組成の空間分布との対応を定量解析できる環境を充実させる。

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

観測と理論を紐づけるレイトレイシングコードの拡張・改良は順調に進んでおり、より現実的なプラズマ密度分布を反映したプラズマ波の伝搬特性解析と、EMICに代表されるイオンモード波の伝搬特性解明にむけた解析環境が整いつつある。
加えて、あらせ衛星で観測されたプラズマ波動の伝搬方向推定や空間分布特性などの定量評価が進んでおり、観測データの解析面でも、当研究課題の目的を実現するための成果がまとまりつつある。

今後の研究の推進方策

EMIC波の伝搬特性に大きく影響を与えるイオン組成比の補正や、プラズマ密度のダクト構造を、レイトレイシングに取り込む改良を行い、EMIC波をはじめとする各種プラズマ波動の特性を理論的に裏付ける伝搬通路並びにイオン密度構造を解析する環境を充実させる。
解析面では、あらせ衛星搭載の磁界センサの特性劣化により、到来方向推定が困難となった時期のデータに対する到来方向推定法の改良や、EMIC波の周波数帯域に混入する人工ノイズの除去など、解析手法の改良を行い、EMIC波の特徴パラメータの網羅的解析を進める。

研究成果

• [雑誌論文] Phase Difference of Electron Cyclotron Harmonic (ECH) Waves Observed by Using the Interferometry Observation Mode of the Arase Satellite (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomoe Taki, Satoshi Kurita, Airi Shinjo, Satoko Nakamura, Hirotsugu Kojima, Yoshiya Kasahara, Shoya Matsuda, Ayako Matsuoka, Yoshizumi Miyoshi, Iku Shinohara
  • 雑誌名: URSI Radio Science Letters 巻: 4 ページ: -
  • DOI: 10.46620/22-0046
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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: Jiannan Tu, Paul Song, Ivan A. Galkin, Bodo W. Reinisch, William R. Johnston, Michael J. Starks, Yi-Jiun Su, David Cooke, Gregory P. Ginet, Umran S. Inan, David S. Lauben, Yoshizumi Miyoshi, Shoya Matsuda, Yoshiya Kasahara, Hirotsugu Kojima, Iku Shinohara
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1029/2022ja030564
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Alfven velocity sudden increase as an indicator of the plasmapause (2023)
  • 著者名/発表者名: A.V. Rubtsov, M. Nose, A. Matsuoka, Y. Kasahara, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, I. Shinohara, Y. Miyoshi
  • 雑誌名: Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 巻: 245 ページ: -
  • DOI: 10.1016/j.jastp.2023.106040
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A Proposal for Modification of Plasmaspheric Electron Density Profiles Using Characteristics of Lightning Whistlers (2023)
  • 著者名/発表者名: Desy Purnami Singgih Putri, Yoshiya Kasahara, Mamoru Ota, Shoya Matsuda, Fuminori Tsuchiya, Atsushi Kumamoto, Ayako Matsuoka, Yoshizumi Miyoshi
  • 雑誌名: Remote Sensing 巻: 15 ページ: -
  • DOI: 10.3390/rs15051306
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Using Van Allen Probes and Arase Observations to Develop an Empirical Plasma Density Model in the Inner Zone (2023)
  • 著者名/発表者名: D. P. Hartley, G. S. Cunningham, J.-F. Ripoll, D. M. Malaspina, Y. Kasahara, Y. Miyoshi, S. Matsuda, S. Nakamura, F. Tsuchiya, M. Kitahara, A. Kumamoto, I. Shinohara, A. Matsuoka
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 128 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2022ja031012
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Latitudinal dependence of ground VLF transmitter wave power in the inner magnetosphere (2023)
  • 著者名/発表者名: Zhiyang Xia, Lunjin Chen, Wenyao Gu, Richard B. Horne, Yoshizumi Miyoshi, Yoshiya Kasahara, Atsushi Kumamoto, Fuminori Tsuchiya, Satoko Nakamura, Masahiro Kitahara, Iku Shinohara
  • 雑誌名: Frontiers in Astronomy and Space Sciences 巻: 10 ページ: -
  • DOI: 10.3389/fspas.2023.1135509
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Direct Observations of Energetic Electron Scattering and Precipitation Due To Whistler-Mode Waves in the Dayside High-Density Regions (2023)
  • 著者名/発表者名: Shin Sugo, Satoshi Kasahara, Yoshizumi Miyoshi, Yuto Katoh, Kunihiro Keika, Shoichiro Yokota, Tomoaki Hori, Yoshiya Kasahara, Shoya Matsuda, Ayako Matsuoka, Iku Shinohara, Fuminori Tsuchiya, Atsushi Kumamoto, Satoko Nakamura, Masahiro Kitahara
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 128 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2022ja030992
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Multi-Event Analysis of Magnetosphere-Ionosphere Coupling of Nighttime Medium-Scale Traveling Ionospheric Disturbances From the Ground and the Arase Satellite (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Kawai, K. Shiokawa, Y. Otsuka, S. Oyama, M. G. Connors, Y. Kasahara, Y. Kasaba, S. Nakamura, F. Tsuchiya, A. Kumamoto, A. Shinbori, A. Matsuoka, I. Shinohara, Y. Miyoshi
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 128 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2022JA030542
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Observation of source plasma and field variations of a substorm brightening aurora at L~6 by a ground-based camera and the Arase satellite on 12 October 2017 (2022)
  • 著者名/発表者名: L. Chen, K. Shiokawa, Y. Miyoshi, S. Oyama, C-W. Jun, Y. Ogawa, K. Hosokawa, Y. Inaba, Y. Kazama, S. Y. Wang, S. W. Y. Tam, T. F. Chang, B. J. Wang, K. Asamura, S. Kasahara, S. Yokota, T. Hori, K. Keika, Y. Kasaba, A. Kumamoto, F. Tsuchiya, M. Shoji, Y. Kasahara他5名
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 127 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2021ja030072
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A Calibration Method of Short-Time Waveform Signals Passed through Linear Time-Invariant Systems: 1. Methodology and Simple Examples (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Kitahara, S. Matsuda, Y. Katoh, H. Kojima, Y. Kasahara, Y. Miyoshi, S. Nakamura, M. Hikishima
  • 雑誌名: Radio Science 巻: 57 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2022rs007454
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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: S. S. Elliott, A. W. Breneman, C. Colpitts, J. M. Pettit, C. A. Cattell, A. J. Halford, M. Shumko, J. Sample, A. T. Johnson, Y. Miyoshi, Y. Kasahara, C. M. Cully, S. Nakamura, T. Mitani, T. Hori, I. Shinohara, K. Shiokawa, S. Matsuda, M. Connors, M. Ozaki, J. Manninen
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 49 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2022gl099655
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Channeling of Auroral Kilometric Radiation During Geomagnetic Disturbances (2022)
  • 著者名/発表者名: M. M. Mogilevsky, D. V. Chugunin, A. A. Chernyshov, V. I. Kolpak, I. L. Moiseenko, Y. Kasahara, Y. Miyoshi
  • 雑誌名: JETP Letters 巻: 115 ページ: 602-607
  • DOI: 10.1134/s0021364022600707
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [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: Q. Ma, W. Xu, E. R. Sanchez, R. A. Marshall, J. Bortnik, P. M. Reyes, R. H. Varney, S. R. Kaeppler, Y. Miyoshi, A. Matsuoka, Y. Kasahara, S. Matsuda, F. Tsuchiya, A. Kumamoto, S. Kasahara, S. Yokota, K. Keika, T. Hori, T. Mitani, S. Nakamura, Y. Kazama, S.-Y. Wang, C-W. Jun, I. Shinohara, W. S.-Y. Tam
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 127 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2022ja030545
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Identification Approach of Arriving Wave Model Based on Likelihood Ratio Test with Different Sensor Noise Levels (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuji Tanaka, Mamoru Ota, Yoshiya Kasahara
  • 雑誌名: Radio Science 巻: 57 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2022rs007427
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Asymmetric Distributions of Auroral Kilometric Radiation in Earth's Northern and Southern Hemispheres Observed by the Arase Satellite (2022)
  • 著者名/発表者名: Fuliang Xiao, Jiawen Tang, Sai Zhang, Qinghua Zhou, Si Liu, Yihua He, Qiwu Yang, Yoshiya Kasahara, Yoshizumi Miyoshi, Atsushi Kumamoto, Yosuke Nakamura, Fuminori Tsuchiya, Iku Shinohara, Satoko Nakamura
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 49 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2022GL099571
  • 査読あり / オープンアクセス / 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: Y. Miyoshi, I. Shinohara, S. Ukhorskiy, S.G. Claudepierre, T. Mitani, T. Takashima, T. Hori, O. Santolik, I. Kolmasova, S. Matsuda, Y. Kasahara, M. Teramoto, Y. Katoh, M. Hikishima, H. Kojima, S. Kurita, S. Imajo, N. Higashio, S. Kasahara, S. Yokota, K. Asamura, Y. Kazama, S.-Y. Wang, C.-W. Jun, Y. Kasaba他20名
  • 雑誌名: Space Science Reviews 巻: 218 ページ: -
  • 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] Mesospheric ionization during substorm growth phase (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Murase, R. Kataoka, T. Nishiyama, K. Nishimura, T. Hashimoto, Y. Tanaka, A. Kadokura, Y. Tomikawa, M. Tsutsumi, Y. Ogawa, H. A. Uchida, K. Sato, S. Kasahara, T. Mitani, S. Yokota, T. Hori, K. Keika, T. Takashima, Y. Kasahara, S. Matsuda, M. Shoji, A. Matsuoka, I. Shinohara, Y. Miyoshi, T. Sato, Y. Ebihara, T. Tanaka
  • 雑誌名: Journal of Space Weather and Space Climate 巻: 12 ページ: -
  • DOI: 10.1051/swsc/2022012
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Signatures of Auroral Potential Structure Extending Through the Near-Equatorial Inner Magnetosphere (2022)
  • 著者名/発表者名: S. Imajo, Y. Miyoshi, K. Asamura, I. Shinohara, M. Nose, K. Shiokawa, Y. Kasahara, Y. Kasaba, A. Matsuoka, S. Kasahara, S. Yokota, K. Keika, T. Hori, M. Shoji, S. Nakamura, M. Teramoto
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 49 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2022gl098105
  • 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: J.P. McCollough, Y. Miyoshi, G.P. Ginet, W.R. Johnston, Y.-J. Su, M. J. Starks, Y. Kasahara, H. Kojima, S. Matsuda, I. Shinohara, P. Song, B.W. Reinisch, I.A. Galkin他10名
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 74 ページ: -
  • 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] 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: Mitsunori Ozaki, Satoshi Yagitani, Kazuo Shiokawa, Yoshimasa Tanaka, Yasunobu Ogawa, Keisuke Hosokawa, Yoshiya Kasahara, Yusuke Ebihara, Yoshizumi Miyoshi, Kousuke Imamura, Ryuho Kataoka, Shin-ichiro Oyama, Teppei Chida, Akira Kadokura
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 49 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2021GL097597
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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: N. Thomas, A. Kero, Y. Miyoshi, K. Shiokawa, M. Hyotyla, T. Raita, Y. Kasahara, I. Shinohara, S. Matsuda, S. Nakamura, S. Kasahara, S. Yokota, K. Keika, T. Hori, T. Mitani, T. Takashima, K. Asamura, Y. Kazama, S.-Y. Wang, C.-W. Jun, N. Higashio
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 127 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2022ja030271
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Recent advances in plasma wave observation by Arase and future prospects of plasma wave measurements (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshiya Kasahara
  • 学会等名: Symposium on the Future of Heliospheric Science: From Geotail and Beyond
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Evaluation of type II error of the Identification Method of Arriving Wave Model Based on Likelihood Ratio Tests (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuji Tanaka, Yoshiya Kasahara, Shoya Matsuda, Mamoru Ota
  • 学会等名: AP-AT-RASC 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Intercalibrated multi-point measurements of whistler mode waves by Van Allen Probes and Arase (2022)
  • 著者名/発表者名: O. Santolik, D. Hartley, G. B. Hospodarsky, Y. Kasahara, H. Kojima, I. Kolmasova, W. S. Kurth, S. Matsuda, A. Matsuoka, Y. Miyoshi, I. Shinohara
  • 学会等名: AP-AT-RASC 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Latitude and Magnetic Local Time Dependences of Whistler Mode Waves in the Inner Magnetosphere Observed by PWE/OFA on board the Arase (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshiya Kasahara, Keita Hayashi, David Malaspina, Shoya Matsuda, Ayako Matsuoka, Yoshizumi Miyoshi, Jean-Francois Ripoll
  • 学会等名: AP-AT-RASC 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Detailed Evaluation with Bayesian k-vector Estimation Method for Plasma Waves (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuji Tanaka, Mamoru Ota, Shoya Matsuda, Yoshiya Kasahara
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会第152回総会および講演会
• [学会発表] あらせ衛星で観測されたコーラスエレメントの特徴解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 平塚 貴也, 松田 昇也, 笠原 禎也, 中村 紗都子, 北原 理弘, 三好 由純, 篠原 育
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会第152回総会および講演会
• [学会発表] あらせ衛星で観測されたホイスラーモード波の空間分布に関する統計解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 林 京汰, 笠原 禎也, 松田 昇也, 土屋 史紀, 熊本 篤志, 北原 理弘, 松岡 彩子, 中村 紗都子, 三好 由純, 篠原 育, Malaspina David,Ripoll Jean-Francois
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会第152回総会および講演会
• [学会発表] Electron density profile approximation technique by using lightning whistler propagation characteristic (2022)
  • 著者名/発表者名: Desy Purnami Singgih Putri, Yoshiya Kasahara, Shoya Matsuda, Fuminori Tsuchiya, Atsushi Kumamoto, Ayako Matsuoka
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会第152回総会および講演会
• [学会発表] Spatial distribution of plasma waves statistically revealed by the PWE/OFA aboard Arase (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshiya Kasahara, Keita Hayashi, Shoya Matsuda, Yoshizumi Miyoshi, Ayako Matsuoka, Jean-Francois Ripoll, David Malaspina
  • 学会等名: American Geophysical Union Fall Meeting 2022
  • 国際学会