極域における地球電離大気流出のエネルギー源

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H04520
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 小嶋 浩嗣 京都大学, 生存圏研究所, 教授 (10215254)
• 研究分担者: 小川 泰信 国立極地研究所, 国際北極環境研究センター, 准教授 (00362210) ; 加藤 雄人 東北大学, 理学研究科, 教授 (60378982)
• 研究期間 (年度): 2021-04-05 – 2025-03-31
• キーワード: イオンの垂直加熱 / 電離大気流出 / 波動・粒子相互作用 / プラズマ波動 / ASIC / EISCATレーダー / 計算機シミュレーション / 電界センサー

研究実績の概要

・極域におけるイオン流出にかかわるイオン垂直加熱に対する波動粒子相互作用を直接観測することを目的としたSS-520-3ロケットに11月成功した。プラズマ波動・粒子の同時観測によるデータを取得することができた他、地上のEISCATレーダーからのグローバル同時観測にも成功した。取得したデータ解析により、プラズマ波動のactivityの捕捉が確認され詳細解析にはいった。
・テスト粒子シミュレーションコードの極域モデルへの拡張に取り組み、従来はホイッスラーモードのみを対象としていたシミュレーションコードを、分散性アルフベン波を含むイオンサイクロトロン周波数以下の低周波波動まで取り扱うことができるように拡張した。テスト粒子計算の初期条件として与えるプラズマ波動の波長や位相速度を決定するために必要となる、極域電磁圏における飛翔体観測結果の整理を進めた。
・EISCATレーダーとあらせ衛星との共同観測データに基づく電離圏分子イオン上昇流の詳細解析を実施し、その発生機構の主要因を特定すると共に、分子イオンが解離再結合に打ち克って上部電離圏にまで上昇する可能性を示した。その研究成果を学術雑誌に掲載した。さらに、磁気嵐時の分子イオン上昇流の特徴を統計的に解明するために必要となる、過去20年間分のEISCATレーダーデータの重点整備を行った。
・波動-粒子相互作用を解析する際に必要となる電界センサーの定量性を計算機シミュレーションにより明らかにするモデルを構築し、プラズマパラメータに依存したセンサーインピーダンスの周波数変化を明らかにすることができた。また、小型プラズマ波動観測器用のチップ設計を行い、より広い周波数帯域までカバーするようなチップのデザインを行った。

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

SS-520-3ロケット実験が、予定通りに打ち上げられデータを取得することができた。今後のデータ解析が待たれる。また、イオン加速モデルを明らかにする計算機シミュレーションとそのインプットとなるデータ解析、EISCATレーダーと科学衛星との共同観測による上昇イオンの詳細解析など、当初の予定通りに進んでいる。加速エネルギーをあたえる短波長のプラズマ波動に対する較正を正確に行うための計算機シミュレーションモデルも予定通りの組み込みができて詳細な解析モデルへと発展させることができた。

今後の研究の推進方策

2021年のSS-520-3では、プラズマ波動・粒子ともに、データを得ることができた。この最新データを解析した情報は、計算機シミュレーションのモデルに対してインプットととなり、理論計算を進める上で重要な情報となる。ロケット実験で観測されたプラズマ波動の位相速度などをもとに、波動モードの特定にまで観測から到達できる可能性もあり、今後、その方針で進めていくことで、成果が期待できる。一方で、建設中のEISCAT_3Dに対するデータ処理手法の開発についても今後、中心研究活動の一つとして、進めていく。小型プラズマ波動観測用チップについては、動作の安静性を高めた設計を行っていき、将来的なミッションで使用可能なチップを目指していく。

研究成果

• [雑誌論文] Low‐Altitude Ion Upflow Observed by EISCAT and its Effects on Supply of Molecular Ions in the Ring Current Detected by Arase (ERG) (2021)
  • 著者名/発表者名: Takada M.、Seki K.、Ogawa Y.、Keika K.、Kasahara S.、Yokota S.、Hori T.、Asamura K.、Miyoshi Y.、Shinohara I.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 126 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2020JA028951
  • 査読あり
• [雑誌論文] Direct Antenna Impedance Measurement for Quantitative AC Electric Field Measurement by Arase (2021)
  • 著者名/発表者名: Matsuda S.、Kojima H.、Kasahara Y.、Kasaba Y.、Kumamoto A.、Tsuchiya F.、Matsuoka A.、Miyoshi Y.、Shinohara I.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 126 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2021JA029111
  • 査読あり
• [雑誌論文] 小特集「ジオスペースと実験室におけるプラズマの波動粒子相互作用研究の進展」まとめ (2021)
  • 著者名/発表者名: 加藤雄人, 永岡賢一
  • 雑誌名: プラズマ・核融合学会誌 巻: 97 ページ: 286,287
  • 査読あり
• [雑誌論文] あらせ衛星によるジオスペースにおける波動粒子相互作用研究の進展 (2021)
  • 著者名/発表者名: 三好由純，篠原育，笠原禎也，松岡彩子，小嶋浩嗣
  • 雑誌名: プラズマ・核融合学会誌 巻: 97 ページ: 269,275
  • 査読あり
• [雑誌論文] Inter‐Calibrated Measurements of Intense Whistlers by Arase and Van Allen Probes (2021)
  • 著者名/発表者名: Santol?k O.、Miyoshi Y.、Kolma?ov? I.、Matsuda S.、Hospodarsky G. B.、Hartley D. P.、Kasahara Y.、Kojima H.、Matsuoka A.、Shinohara I.、Kurth W. S.、Kletzing C. A.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 126 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2021JA029700
  • 査読あり
• [雑誌論文] Arase Observation of Simultaneous Electron Scatterings by Upper‐Band and Lower‐Band Chorus Emissions (2021)
  • 著者名/発表者名: Kazama Y.、Miyoshi Y.、Kojima H.、Kasahara Y.、Kasahara S.、Usui H.、Wang B.‐J.、Wang S.‐Y.、Tam S. W. Y.、Chang T. F.、Asamura K.、Matsuda S.、Kumamoto A.、Tsuchiya F.、Kasaba Y.、Shoji M.、Matsuoka A.、Teramoto M.、Takashima T.、Shinohara I.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 48 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2021GL093708
  • 査読あり
• [雑誌論文] Extremely Collimated Electron Beams in the High Latitude Magnetosphere Observed by Arase (2021)
  • 著者名/発表者名: Kazama Y.、Kojima H.、Miyoshi Y.、Kasahara Y.、Kasahara S.、Usui H.、Wang B.‐J.、Wang S.‐Y.、Tam S. W. Y.、Chang T.‐F.、Asamura K.、Kasaba Y.、Matsuda S.、Shoji M.、Matsuoka A.、Teramoto M.、Takashima T.、Shinohara I.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 48 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2020GL090522
  • 査読あり
• [学会発表] Study on Atmospheric Escape (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Ogawa
  • 学会等名: The 2nd NIPR-UiT Online Monthly Joint Seminar
  • 国際学会
• [学会発表] SS-520-3フライト時の地上観測データ１ (2021)
  • 著者名/発表者名: 小川泰信
  • 学会等名: 名大ISEE研究集会、SS-520-3会合：極域電離圏における電離大気流出現象の メカニズム解明に向けた戦略的研究
• [学会発表] An idea for possible common program (CP) modes for EISCAT_3D (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Ogawa
  • 学会等名: 14th EISCAT_3D user meeting & 2nd EISCAT_3D Software and Data meeting
  • 国際学会
• [学会発表] 磁気赤道周辺での kinetic Alfven wave による電子加速過程に関するテスト粒子計算 (2021)
  • 著者名/発表者名: 齋藤幸碩, 加藤雄人, 北原理弘, 川面洋平, 木村智樹, 熊本篤志
  • 学会等名: 第150回 地球電磁気・地球惑星圏学会 総会および講演会
• [学会発表] Frey Harald, Schneider Nick, Future formation-flight satellite mission FACTORS: Development of far-ultra-violet imagers and simulation of Alfven wave (2021)
  • 著者名/発表者名: 坂野井 健, 吹澤 瑞貴, 平原 聖文, 三好 由純, 浅村 和史, 斎藤 義文, 小嶋 浩嗣, 北村 成寿, 西山 尚典, 村瀬 清華, 川村 美季, 坂口 歌織, 石井 守
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会
• [学会発表] Science Objectives of FACTORS mission (2021)
  • 著者名/発表者名: 三好 由純, 北村 成寿, 浅村 和史, 坂野井 健, 西山 尚典, 小嶋 浩嗣, 能勢 正仁, 加藤 雄人, 桂華 邦裕, 新堀 淳樹, 吹澤 瑞貴, 村瀬 清華, 川村 美季
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会
• [学会発表] Future formation-flight mission FACTORS: Development of plasma particle instruments and evaluation of electric field measurements with short electric field sensors (2021)
  • 著者名/発表者名: 浅村 和史, 小嶋 浩嗣, 滑川 拓, 三谷 烈史, 菊川 素如, 深澤 伊吹, 栗田 怜, 三宅 雄紀, 臼井 英之
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会
• [学会発表] 宇宙地球結合系探査「FACTORS」計画の現状 (2021)
  • 著者名/発表者名: 平原 聖文, 斎藤 義文, 小嶋 浩嗣, 浅村 和史, 坂野井 健, 三好 由純, 北村 成寿, 山内 正敏, 杉本 理英
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会
• [学会発表] あらせ衛星で観測されたコーラスに起因するラングミュア波の解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉田 永遠, 栗田 怜, 頭師 孝拓, 小嶋 浩嗣, 笠原 禎也, 松田 昇也, 松岡 彩子
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会
• [学会発表] 短時間波形信号の新しい較正方法とPWE/WFC波形データへの適用 (2021)
  • 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, 三好 由純, 疋島 充
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会
• [学会発表] Radiation characteristics of upper-band and lower-band chorus emissions in the generation region deduced from the Arase observation (2021)
  • 著者名/発表者名: 林 聖悟, 栗田 怜, 小嶋 浩嗣, 笠原 禎也, 松田 昇也, 松岡 彩子, 篠原 育, 三好 由純
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会
• [学会発表] Isolated Electrostatic Potentials Observed by the Arase Satellite (2021)
  • 著者名/発表者名: 滝 朋恵, 栗田 怜, 小嶋 浩嗣, 笠原 禎也, 三好 由純, 松岡 彩子, 松田 昇也
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会,
• [学会発表] Observation of non-gyrotropy of electrons caused by wave-particle interaction with intense whistler mode waves in mirror mode structures in the magnetosheath (2021)
  • 著者名/発表者名: 北村 成寿, 北原 理弘, Boardsen Scott, 天野 孝伸, Gershman Daniel, 大村 善治, 中村 紗都子, 小路 真史, 加藤 雄人, 小嶋 浩嗣, 三好 由純, 斎藤 義文, 平原 聖文, 横田 勝一郎, Giles Barbara, Paterson William, Pollock Craig, Le Contel Olivier, Russell Christopher, Ahmadi Narges, Lindqvist Per-Arne, Ergun Robert, Burch James
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会
• [学会発表] Development and Integration of the High-Speed Current Detection Circuits in Particle Sensors (2021)
  • 著者名/発表者名: 菊川 素如, 小嶋 浩嗣, 斎藤 義文, 浅村 和史
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会
• [学会発表] Study on Electric Field Sensor Impedance in Magnetized Plasma by PIC Simulation (2021)
  • 著者名/発表者名: 深澤 伊吹, 小嶋 浩嗣, 三宅 洋平, 臼井 英之, 栗田 怜
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会
• [学会発表] 波形・スペクトル双方の観測が可能な小型プラズマ波動観測器 (2021)
  • 著者名/発表者名: 頭師 孝拓, 小嶋 浩嗣
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合大会,
• [学会発表] あらせ衛星で観測されるコーラスに関連したラングミュア波動の統計解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 江田 大輝, 栗田 怜, 吉田 永遠, 小嶋 浩嗣, 笠原 禎也, 松田 昇也, 松岡 彩子, 三好 由純, 篠原 育
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会
• [学会発表] あらせ衛星のモノポールモードで観測されたコーラス波動の解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 滝 朋恵, 栗田 怜, 松田 昇也, 小嶋 浩嗣, 笠原 禎也, 三好 由純, 松岡 彩子, 熊本 篤志
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会
• [学会発表] Study on Electric Field Sensor Impedance in Magnetized Plasma by PIC Simulation (2021)
  • 著者名/発表者名: 深澤 伊吹, 栗田 怜, 三宅 洋平, 臼井 英之, 小嶋 浩嗣
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会
• [学会発表] ASICを用いた粒子センサ用高速プリアンプの小型集積化に関する研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 菊川 素如, 浅村 和史, 栗田 怜, 小嶋 浩嗣, 齋藤 義文
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会
• [学会発表] Isolated Electrostatic Potentials Observed by the Arase Satellite (2021)
  • 著者名/発表者名: Taki, Tomoe ; Kurita, Satoshi ; Kojima, H ; Kasahara, Yoshiya,: Miyoshi, Yoshizumi,:Matsuoka, Ayako: Matsuda, Shoya
  • 学会等名: URSI GASS2021
  • 国際学会
• [学会発表] Occurrence Characteristics of Large Amplitude Whistler Mode Chorus Waves Observed by the Arase Satellite (2021)
  • 著者名/発表者名: Kurita, Satoshi ; Miyoshi, Yoshizumi ; Kasahara, Satoshi ; Yokota, Shoichiro ; Kasahara, Yoshiya ; Kojima, H ; Matsuda, Shoya ; Matsuoka, Ayako ; Shinohara, Iku
  • 学会等名: URSI GASS2021
  • 国際学会
• [学会発表] hase velocities of electron cyclotron harmonic waves and their relation to energies of cold electrons: Arase observations (2021)
  • 著者名/発表者名: 237.Kojima, H; Shinjo, Airi ; Nakamura, Satoko ; Kurita, Satoshi ; Kasahara, Yoshiya ; Kazama, Yoichi ; Usui, Hideyuki ; Miyoshi, Yoshizumi ; Matsuda, Shoya ; S.-Y., Wang ; Sunny W. Y., Tam
  • 学会等名: URSI GASS2021
  • 国際学会
• [学会発表] Development and integration of the high-speed current detection circuits in particle sensors dedicated to Wave-Particle Interaction Analyzer (2021)
  • 著者名/発表者名: Kikukawa, Motoyuki ; Kojima, H ; Asamura, Kazushi ; Saito, Yoshifumi
  • 学会等名: URSI GASS2021
  • 国際学会
• [学会発表] Further Evidence for leaked Auroral Kilometric Radiation (2021)
  • 著者名/発表者名: LaBelle, James ; Yearby, Keith ; Pickett, Jolene ; Kojima, H
  • 学会等名: URSI GASS2021
  • 国際学会