地球型惑星の比較に基づく惑星大気・宇宙環境に固有磁場強度が与える影響に関する研究

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H00192
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 関 華奈子 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (20345854)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 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) ; 桂華 邦裕 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (10719454) ; 寺田 直樹 東北大学, 理学研究科, 教授 (70470060) ; 海老原 祐輔 京都大学, 生存圏研究所, 准教授 (80342616)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 惑星大気進化 / 宇宙環境 / 固有磁場 / ハビタブル惑星 / 大気散逸 / 内部磁気圏

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、大気を持つ地球型惑星の比較に基づき、惑星大気・宇宙環境の理解に向けた２つの重要な要素（宇宙空間への大気散逸と内部磁気圏の形成）に、固有磁場強度が与える影響を解明することを目的としている。そのために、独自の多成分MHDモデルと内部磁気圏モデルを観測との比較を通して改良するとともに、多流体MHDモデルを新たに開発する。開発したモデルを用いて３つの主要課題(1.大気散逸の質量依存性、2.内部磁気圏形成の影響、3. 固有磁場強度による大気散逸機構の変化)を系統的に整理し、固有磁場強度が惑星大気・宇宙環境に与える影響を明らかにすることを目的としている。以下では2020年度の主な成果を報告する。
・既に非磁化惑星および弱磁場惑星への適用実績がある地球と火星の双方の大気組成に対応可能な独自の多成分MHDコードを用いて、太陽風-惑星大気相互作用のグローバルシミュレーションを行った。特に、定常太陽風条件下に加えて、太陽風の主な変動現象であるCME（コロナ質量放出）の到達時を想定して、IMF(惑星間空間磁場)が回転した場合の大気散逸を詳しく調べ、弱磁場を持つ惑星からの大気散逸のIMF角度依存性を明らかにした。
・地球大気散逸データ解析の一環として、地球上層電離圏からの電離大気散逸機構を調べるために、EISCATレーダーによる電離圏におけるイオン上昇流と衛星観測との比較を行った結果、低高度からのイオン流出を引き起こすために、SAPSなどの局所的な電場の強まりによる摩擦加熱が重要であることが明らかとなった。また、低高度からのイオン上昇流の統計解析に着手した。
・内部磁気圏モデリングについては、単純化した磁気圏尾部からのイオン入射を模した5次元ドリフト運動論近似のグローバルシミュレーションを実施し、環電流発達によるULF波動の励起を世界で初めて自己無撞着に再現することに成功するなどの結果を得た。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

研究計画初年度には、観測との比較による数値モデルの改良・開発に着手するため、主に数値実験に携わるポスドク研究員の雇用を開始するとともに、数値モデル開発やデータ解析環境を整備する予定であった。しかし、新型コロナウィルス感染症拡大の影響により海外からの研究者招聘や雇用が難しくなったこともあり、ポスドク研究員の雇用開始を遅らせることになった。また、関連するEISCATレーダーのキャンペーン観測についても海外渡航を延期するなどの影響が出たため、経費の一部を繰越申請した。
ただ、多流体MHDグローバルモデルについては、既存の研究チームで開発に着手し、宇宙環境における挙動や大気散逸機構のイオン質量依存性を調べるために、イオン種毎に運動方程式とエネルギー方程式を解き、光化学反応を取り入れた、太陽風から電離圏までをシームレスに解く1次元多流体磁気流体(MHD)モデルの開発を行い、基本的なコードの動作確認をした上で、高度と太陽天頂角の２次元への拡張を行った。
2020年度は全ての海外渡航を延期したが、オンラインで対応できる部分はオンラインを活用し、現地作業が必要な部分については海外の研究協力者に作業を依頼するなどして、ある程度は当初の計画に沿って研究が進展したが、影響が完全に取り除けたとは言えないため、2020年度末時点での研究の進捗状況は「やや遅れている」と評価している。ただしその後、2020年度に行う予定だった内容については、2021年度中に概ね研究計画を遂行済みである。

Strategy for Future Research Activity

今後もしばらく新型コロナウィルス感染症拡大の影響は続くと想定されるため、海外の研究協力者との共同研究部分については、引き続きオンラインで対応できる部分はオンラインを活用し、現地作業が必要な部分については海外の研究協力者に作業を依頼するなどして、研究を遂行する予定である。また、状況を見つつ、延期していた対面での打合せなども集中的効率的に進めることを検討したい。

Research Products

• [Journal Article] Effects of the IMF direction on atmospheric escape from a Mars-like planet under weak intrinsic magnetic field conditions (2021)
  • Author(s): Sakai, S., Seki, K., Terada, N., Shinagawa, H., Sakata, R., Tanaka, T., & Ebihara, Y.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 126 Pages: e2020JA028485
  • DOI: 10.1029/2020JA028485
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Low-Altitude Ion Upflow Observed by EISCAT and its Effects on Supply of Molecular Ions in the Ring Current Detected by Arase (ERG) (2021)
  • Author(s): Takada, M., Seki, K., Ogawa, Y., Keika, K., Kasahara, S., Yokota, S., et al.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research Volume: 126 Pages: e2020JA028951
  • DOI: 10.1029/2020JA028951
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Excitation of Internally Driven ULF Waves by the Drift窶殖ounce Resonance With Ring Current Ions Based on the Drift窶尻inetic Simulation (2020)
  • Author(s): Yamakawa, T., Seki, K., Amano, T., Takahashi, N., & Miyoshi, Y
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 125 Pages: e2020JA028231
  • DOI: 10.1029/2020JA028231
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Vertical Propagation of Wave Perturbations in the Middle Atmosphere on Mars by MAVEN/IUVS (2020)
  • Author(s): Hiromu Nakagawa, Naoki Terada, Sonal K. Jain, Nicholas M. Schneider, Franck Montmessin, Roger V. Yelle, Fayu Jiang, Loic Verdier, Scott L. England, Kanako Seki, Hitoshi Fujiwara, Takeshi Imamura, Nao Yoshida, Takeshi Kuroda, Kaori Terada, Hannes Grテカller, Justin Deighan, Bruce M. Jakosky
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research Volume: 125 Pages: e2020JE006481
  • DOI: 10.1029/2020JE006481
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Design for stray-light reduction to a Martian ionospheric imager (2020)
  • Author(s): Hiromu Nakagawa, Atsushi Yamazaki, Keigo Enya, Naofumi Fujishiro, Naoki Terada, Kanako Seki
  • Journal Title: Applied Optics Volume: 59 Pages: 9937
  • DOI: 10.1364/ao.401523
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Martian oxygen and hydrogen upper atmospheres responding to solar and dust storm drivers: Hisaki space telescope observations (2020)
  • Author(s): Masunaga, K., K. Yoshioka, M. S. Chaffin, J. Deighan, S. K. Jain, N. M. Schneider, T. Kimura, F. Tsuchiya, G. Murakami, A. Yamazaki, N. Terada, and I. Yoshikawa
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Planets Volume: 125 Pages: e2020JE006500
  • DOI: 10.1029/2020JE006500
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Seasonal and latitudinal variations of dayside N2/CO2 ratio in the Martian thermosphere derived from MAVEN/IUVS observations (2020)
  • Author(s): Yoshida, N., H. Nakagawa, N. Terada, J. S. Evans, N. M. Schneider, S. K. Jain, T. Imamura, J.-Y. Chaufray, H. Fujiwara, J. Deighan, and B. M. Jakosky
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Planets Volume: 125 Pages: e2020JE006378
  • DOI: 10.1029/2020JE006378
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Characteristics of CME- and CIR-driven ion upflows in the polar ionosphere (2021)
  • Author(s): 小川泰信
  • Organizer: 43rd COSPAR Scientific Assembly (COSPAR2021)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Effects of an intrinsic magnetic field on atmospheric escape from a Mars-like planet (2021)
  • Author(s): 堺正太朗
  • Organizer: 第22回惑星圏研究会
  • Invited
• [Presentation] Effects of solar XUV and solar wind conditions on ion escape from ancient Mars (2021)
  • Author(s): 坂田遼弥
  • Organizer: 第22回惑星圏研究会
• [Presentation] Study of formation mechanisms of the molecular ion polar plume and its contribution to the ion escape from Mars (2021)
  • Author(s): 坂倉孝太郎
  • Organizer: 第22回惑星圏研究会
• [Presentation] On Plasma Transport and Energization in the Magnetospheres of Magnetized Planets (2021)
  • Author(s): 桂華邦裕
  • Organizer: 第22回惑星圏研究会
  • Invited
• [Presentation] Nightside wave perturbations in the Martian thermosphere (2021)
  • Author(s): 中川広務
  • Organizer: 第22回惑星圏研究会
• [Presentation] Seasonal and dust related variations of dayside ionospheric compositions coupled with neutral upper atmosphere on Mars (2021)
  • Author(s): 吉田奈央
  • Organizer: 第22回惑星圏研究会
• [Presentation] Study of ion loss mechanisms from ancient Mars with a focus on effects of the global intrinsic magnetic field (2020)
  • Author(s): 坂田遼弥
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study of Molecular Ion Contribution to the Polar Plume from Mars Based on MAVEN Observations (2020)
  • Author(s): 坂倉孝太郎
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study of proton escape from Mars based on MAVEN observations (2020)
  • Author(s): 森悠貴
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] On possibility of visualization of Martian space environment with diffuse aurora: Relations between magnetic field structure and solar energetic electron penetration into the upper atmosphere observed by MAVEN (2020)
  • Author(s): 関華奈子
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Observational study on mass and charge dependence of plasma energization in the inner magnetosphere and near-Earth magnetotail (2020)
  • Author(s): 桂華邦裕
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A warm layer in the nightside mesosphere of Mars (2020)
  • Author(s): 中川広務
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Seasonal variation of neutral and ion compositions in the Martian upper atmosphere observed by MAVEN/NGIMS (2020)
  • Author(s): 吉田奈央
  • Organizer: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Seasonal variation of dayside ionospheric compositions coupled with neutral upper atmosphere on Mars (2020)
  • Author(s): 吉田奈央
  • Organizer: 第148回地球電磁気・地球惑星圏学会秋季講演会
• [Presentation] Effects of the IMF direction on atmospheric escape from Mars under weak intrinsic magnetic field conditions (2020)
  • Author(s): 堺正太朗
  • Organizer: 第148回地球電磁気・地球惑星圏学会秋季講演会
• [Presentation] Dependence of ion escape from Mars on ancient solar XUV and solar wind conditions (2020)
  • Author(s): 坂田遼弥
  • Organizer: 第148回地球電磁気・地球惑星圏学会秋季講演会
• [Presentation] Statistical properties of solar energetic electron penetration into the Martian upper atmosphere observed by MAVEN (2020)
  • Author(s): 関華奈子
  • Organizer: 第148回地球電磁気・地球惑星圏学会秋季講演会
• [Presentation] Study of proton escape from Mars based on MAVEN observations (2020)
  • Author(s): 森悠貴
  • Organizer: 第148回地球電磁気・地球惑星圏学会秋季講演会
• [Presentation] Molecular Ion Contribution to the Polar Plume from Mars and its Dependence on Solar Wind Parameters (2020)
  • Author(s): 坂倉孝太郎
  • Organizer: 第148回地球電磁気・地球惑星圏学会秋季講演会
• [Presentation] Day-night variation of O2/CO2 in Mars lower thermosphere (2020)
  • Author(s): 中川広務
  • Organizer: 第148回地球電磁気・地球惑星圏学会秋季講演会
• [Presentation] MAVEN/IUVS observation of the Martian ozone layer during solar energetic particle events (2020)
  • Author(s): 晝場清乃
  • Organizer: 第148回地球電磁気・地球惑星圏学会秋季講演会
• [Presentation] Observational study on preferential energization of low-charge-state heavy ions in the near-Earth magnetotail (2020)
  • Author(s): 桂華邦裕
  • Organizer: 第148回地球電磁気・地球惑星圏学会秋季講演会
• [Presentation] Effects of an intrinsic magnetic field on ion escape under different solar XUV and solar wind conditions (2020)
  • Author(s): 坂田遼弥
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Statistical properties of solar energetic electron penetration into the Martian upper atmosphere observed by MAVEN: Effects of the magnetic field structure in the ionosphere (2020)
  • Author(s): 関華奈子
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Molecular Ion Contribution to the Polar Plume from Mars: Effects of Solar Wind Parameters and Crustal Magnetic Fields (2020)
  • Author(s): 坂倉孝太郎
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Day-night variation of O2/CO2 in Mars lower thermosphere (2020)
  • Author(s): 中川広務
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Seasonal variation of dayside ionospheric compositions coupled with neutral upper atmosphere on Mars (2020)
  • Author(s): 吉田奈央
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Observations of mass- and charge-dependent ion energization in the near-Earth magnetotail (2020)
  • Author(s): 桂華邦裕
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting 2020
  • Int'l Joint Research