ディフューズオーロラ現象が放射線帯高エネルギー電子降下に与える影響の解明

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H04526
• 研究機関: 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
• 研究代表者: 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)
• 研究分担者: 三好 由純 名古屋大学, 宇宙地球環境研究所, 教授 (10377781) ; 細川 敬祐 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (80361830)
• 研究期間 (年度): 2021-04-05 – 2026-03-31
• キーワード: 脈動オーロラ / 観測ロケット / 高エネルギー電子の降りこみ

研究実績の概要

脈動オーロラは、数keVから数十keVのエネルギーを持つ電子が、宇宙空間から地球の超高層大気に向かって間欠的に降り込んでくることで発生すると考えられている。一方、脈動オーロラ発生時には、よりエネルギーの高い、準相対論的高エネルギー電子も同時に降り込んでいるというモデルが提案されている。私たちは米国 NASA の観測ロケット計画 LAMP に提案段階から参加し、高エネルギー電子観測器、オーロラカメラなどの観測機器パッケージ (PARM2) を開発・搭載した。LAMP は 2022年3月5日にアラスカ・ポーカーフラットから打ち上げられ、脈動オーロラ中の飛翔に成功した。そして脈動オーロラにともなって降りこむ準相対論的高エネルギー電子の検出にも成功した。
本研究では、LAMP計画をさらに進め、オーロラ活動に伴う宇宙空間からの高エネルギー電子の深貫入によって、高度数十kmの中間圏のオゾンが破壊されるという新しい仮説を実証し、オーロラ活動とオゾン破壊との関係を定量的に明らかにすることも目的としている。この目的のために、北欧に新設される大型大気レーダー (EISCAT_3D) による三次元電子密度計測を軸に、我が国の「あらせ」衛星による宇宙空間観測、地上からのオーロラ光学観測、観測ロケットによるオーロラ電子計測、そして宇宙空間と大気圏をつなぐシミュレーションによる統合研究を実施する。このため、米国側研究者と共同で米国 NASA に LAMP-2 観測ロケット計画の提案準備を行った。
また、LAMP-2 搭載用観測機器の開発に着手し、オーロラカメラレンズ・波長選択フィルタ・検出器 (CCD) を選定・購入したほか、カメラ筐体を設計・製作した。さらに、高エネルギー電子観測器について、プリアンプ部の設計・製作を行った。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

LAMP 観測ロケットは成功裏に打ちあがり、脈動オーロラ中で間欠的に降りこむ準相対論的高エネルギー電子の検出や脈動オーロラ発光に関連する電離層電流の検出に成功した。これらの成果は国際学術誌に投稿し、出版受理された。
LAMP-2 観測ロケット計画については、2023年1月応募締め切りの NASA 観測ロケット実験公募に応募したが、選定されなかった。このため、2023年11月締め切りの公募に再応募した。
また、LAMP-2 搭載観測器開発について、高エネルギー粒子観測器、オーロラカメラのセンサー部の開発に着手した。高エネルギー粒子検出に用いる半導体検出器 (SSD) の信号増幅に用いるプリアンプ部を設計・製作したほか、オーロラカメラについてもレンズ、波長選択フィルタ、受光部 CCD の選定・購入を行った。ただし、米国との調整により、LAMP-2 の想定打ち上げが 2026年度冬季となっており、日本側機器の開発状況に問題はない。

今後の研究の推進方策

脈動オーロラ、準相対論的電子の降りこみ、オゾン破壊の同時発生を観測的に実証することを目指し、LAMP-2 観測ロケット搭載に向けた観測機器開発を継続する。2024年度には NASA 観測ロケット計画公募の採択結果が開示される予定であり、採択された場合にはNASA 側と詳細な仕様調整、インターフェース調整を始め、機器設計にも随時反映する。万一不採択となった場合には、次回公募に応募すべく、準備を行う。
また、LAMP-2 計画では EISCAT_3D やオーロラ光学観測網などの地上支援観測も重要である。すでに設置済みの観測点に加え、打ち上げ期間にのみ臨時に設置する観測点も必要となる見込みである。これまで射場などを訪問し、現地研究者や射場関係者と設置場所や設置・運用方法、設置する観測器の仕様などの検討を行ってきたが、今後、検討を詳細化していく。特に EISCAT_3D はまもなく稼働を開始する予定であり、本格稼働に向けた準備が進められている。本研究ではロケット飛翔領域の三次元電子密度計測するパルススキームの開発を行う。さらに、北欧で行ってきたオーロラ撮像を継続し、観測ロケット実験時の地上支援観測に供するとともに、「あらせ」衛星と地上観測機器との共同観測を実施する。
また、プラズマ波動と電子との相互作用を再現するシミュレーション（Saito et al., 2012）、その結果を入力する大気電離およびオーロラ発光計算（Ono, 1993）、および大気化学計算（Turunen et al., 2009）を結合した統合シミュレーションコードの開発を進める。

研究成果

• [国際共同研究] NASA/University of New Hampshire/University of Iowa(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: NASA/University of New Hampshire/University of Iowa
  • 他の機関数: 4
• [国際共同研究] Swedish Institute of Space Physics(スウェーデン)
  • 国名: スウェーデン
  • 外国機関名: Swedish Institute of Space Physics
• [雑誌論文] Simultaneous Precipitation of Sub‐Relativistic Electron Microburst and Pulsating Aurora Electrons (2023)
  • 著者名/発表者名: Namekawa T.、Mitani T.、Asamura K.、Miyoshi Y.、Hosokawa K.、Lessard M.、Moser C.、Halford A. J.、Sakanoi T.、Kawamura M.、Nose M.、Nomura R.、Teramoto M.、Shumko M.、Lynch K. A.、Jaynes A. N.、McHarg M. G.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 50 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2023GL104001
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The variable source of the plasma sheet during a geomagnetic storm (2023)
  • 著者名/発表者名: Kistler L. M.、Asamura K.、Kasahara S.、Miyoshi Y.、Mouikis C. G.、Keika K.、Petrinec S. M.、Stevens M. L.、Hori T.、Yokota S.、Shinohara I.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 ページ: -
  • DOI: 10.1038/s41467-023-41735-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Statistical Study of EMIC Waves and Related Proton Distributions Observed by the Arase Satellite (2023)
  • 著者名/発表者名: Jun C.‐W.、Miyoshi Y.、Nakamura S.、Shoji M.、Kitahara M.、Hori T.、Yue C.、Bortnik J.、Lyons L.、Min K.、Kasahara Y.、Tsuchiya F.、Kumamoto A.、Asamura K.、Shinohara I.、Matsuoka A.、Imajo S.、Yokota S.、Kasahara S.、Keika K.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Space Physics 巻: 128 ページ: -
  • DOI: 10.1029/2022JA031131
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Development of High energy electron analyzer onboard the LAMP-2 sounding rocket (2023)
  • 著者名/発表者名: 三谷 烈史, 浅村 和史, 三好 由純, 細川 敬祐
  • 学会等名: 第154回地球電磁気・地球惑星圏学会総会・講演会
• [学会発表] LAMP Observation of Precipitating Electron Simultaneously Forming Microbursts and Pulsating Auroras (2023)
  • 著者名/発表者名: 滑川 拓、三谷 烈史、浅村 和史、三好 由純、細川 敬祐、M. Lessard、C. Moser、A. Halford、坂野井 健、川村 美季、能勢 正仁、野村 麗子、寺本 万里子、D. Hampton、M. Shumko、A. Jaynes、M. McHarg、V. Ledvina
  • 学会等名: JpGU2023
  • 国際学会
• [学会発表] Overview of the Loss through Auroral Microburst Precipitation Rocket. (2023)
  • 著者名/発表者名: A. Halford、M. Lessard、K. Lynch、Y. Miyoshi、A. Jaynes、M. McHarg、K. Asamura、K. Hosokawa、S. Sakanoi、N. Paschalidis、M. Nose、P. Uribe、T. Namekawa、M. Shumko、R. Troyer、J. van Irsel、D. Hampton、E. Spanswick、H. Kim、R. Varney、J. Kujawski、M. Mandyam、Y. Shin、N. Godbole、S. Noh、J. Williams
  • 学会等名: JpGU2023
  • 国際学会
• [学会発表] Variation of the altitude of auroral emission during a substorm cycle: Stereoscopic optical observations during the LAMP rocket experiment (2023)
  • 著者名/発表者名: 細川 敬祐、三好 由純、M. Mcharg、V. Ledvina、D. Hampton、M. Shumko、浅村 和史、坂野井 健、三谷 烈史、滑川 拓、能勢 正仁、小川 泰信、M. Lessard、A. Halford、A. Jaynes
  • 学会等名: JpGU2023
  • 国際学会
• [学会発表] Field-aligned currents associated with pulsating auroral patches: Observation with Magneto-Impedance Magnetometer (MIM) onboard Loss through Auroral Microburst Pulsations (LAMP) sounding rocket (2023)
  • 著者名/発表者名: 能勢 正仁、細川 敬祐、野村 麗子、寺本 万里子、浅村 和史、三好 由純、三谷 烈史、坂野井 健、滑川 拓、河野 剛健、岩永 吉広、立松 俊一、平原 聖文、A. Halford、M. Shumko、M. Lessard、K. Lynch、N. Paschalidis、A. Jaynes、M. McHarg
  • 学会等名: JpGU2023
  • 国際学会
• [学会発表] Relativistic electron microburst is a high-energy tail of pulsating aurora electrons: LAMP sounding rocket experiment and computer simulation (2023)
  • 著者名/発表者名: 三好 由純、浅村 和史、細川 敬祐、三谷 烈史、滑川 拓、齊藤 慎司、坂野井 健、能勢 正仁、高橋 一輝、尾林 佑哉、M. Lessard、A. Halford、M. Shumko、N. Paschalidis、M. McHarg、A. Jaynes、D. Hampton、V. Ledvina、K. Lynch、H. Kim
  • 学会等名: JpGU2023
  • 国際学会
• [学会発表] Ground-based and Rocket-based Observations of Energetic Pulsating Aurora During the LAMP Mission (2023)
  • 著者名/発表者名: A. Jaynes, R. Troyer, J. McLennan, K. Asamura, N. Godbole, A. Halford, D. Hampton, K. Hosokawa, H. Kim, V. Ledvina, M. Lessard, K. Lynch, M. Mandyam, M. Nose, M. Mcharg, Y. Miyoshi, T. Namekawa, S. Noh, N. Paschaliddis, T. Sakanoi, Y. Shin, M. Shumko, E. Spanswick, R. Varney
  • 学会等名: AGU2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Relationship between the characteristics of electron precipitation and the morphology of pulsating aurora: direct comparison between ground-based and rocket observations during the LAMP rocket experiment (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Hosokawa, Y. Miyoshi, M. Lessard, M. Shumko, K. Asamura, M. McHarg, V. Ledvina, D. Hampton, T. Sakanoi, T. Mitani, T. Namekawa, M. Nose, Y. Ogawa, A. Halford, A. Jaynes
  • 学会等名: AGU2023
  • 国際学会
• [学会発表] Spatial and Temporal Analysis of Pulsating Aurora Patches during the Loss Through Auroral Microburst Pulsations (LAMP) Rocket Mission (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Mandyam, M. McHarg, A. Halford, K. Asamura, N. Godbole, D. Hampton, K. Hosokawa, A. Jaynes, H. Kim, V. Ledvina, M. Lessard, Y. Miyoshi, T. Namekawa, T. Sakanoi, J. Williams, M. Shumko
  • 学会等名: AGU2023
  • 国際学会