気象衛星、GPS衛星、放送・通信衛星など、ジオスペース(地球周辺の宇宙空間)での活動を行うとき、太陽からの影響は避けて通れません。太陽での爆発現象(フレア)に伴い、ジオスペースで発生する磁気嵐。強い磁気嵐が起これば実用衛星や電力線ネットワークの機能に障害が出る場合もあります。また、太陽からは常にプラズマが惑星間空間に流れ出しています。このプラズマの流れ(太陽風)は磁場を伴って惑星間空間に広がり、ジオスペースにも到達し、地球磁気圏の変動させたり、地球磁気圏の内部へ荷電粒子を降り込ませたりするなど、ジオスペースや地球大気に大きな影響を及ぼします。

ジオスペースには高エネルギー荷電粒子が分布しており、太陽からの影響を受け、その分布や密度は時々刻々と変動します。ジオスペースにある高エネルギー荷電粒子は安定した人工衛星の運用の障害となることもあります。そのため、高エネルギー荷電粒子がジオスペースでどのようなメカニズムで増減するのか、また、どのように分布が変化するのか、を明らかにし、変化を予測できるようになることが宇宙天気予報実現の一つの課題となっています。そのためには、様々なエネルギーを持つ荷電粒子と電場・磁場の相互作用を明らかにする必要があります。

過去に行われた「あけぼの」衛星の観測から、「コーラス」と呼ばれる波動が強い場所で高エネルギー荷電粒子が増加し、かつ、その粒子の分布が広がることがわかっていました。しかし、低エネルギーの粒子がどのように、どこで、エネルギーを獲得し高エネルギーをもつようになるのか、その過程や場所は、詳しくはわかっていませんでした。

謎が解けないままでいたのは観測の問題もありました。衛星によって、プラズマや電場・磁場をその場で観測できるのはジオスペースの中で「点」と言っていいほど狭い領域だけです。加えて、衛星は地球を周回しながら観測するため、プラズマや電場・磁場の時間変動も、同じ場所をモニターし続けることはできません。さらに、荷電粒子がエネルギーを獲得するのは極めて短時間で起こるため、荷電粒子がエネルギーを獲得するプロセスを調べるためには、10ミリ秒程度の高い時間分解能で様々なエネルギーを持つ荷電粒子の密度、電場・磁場の変動を捉えなければなりません。

本研究で、国際共同研究チームは、地上観測網 PWING (study of dynamical variation of Particles and Waves in the INner magnetosphere using Ground-based network observations) とジオスペース探査衛星「あらせ」を用い、これらの観測からくる制限を克服しました。

図1 ジオスペース探査衛星「あらせ」と地上観測網PWINGの協調観測のイメージ

図1 ジオスペース探査衛星「あらせ」と地上観測網PWINGの協調観測のイメージ。「あらせ」でジオスペースの荷電粒子や電場・磁場の変動を測定する。同時に地上では、オーロラ発光から荷電粒子が地球大気へ降下する様子や、荷電粒子と相互作用する電磁場を測定。これにより、地球大気とジオスペースの荷電粒子や電磁場の変化をグローバルに全経度帯(もしくは地方時)でモニターする。 Credit: ERG science team

「あらせ」打ち上げ後の機器立ち上げを終え、定常観測を開始した直後の2017年3月30日、「あらせ」によってコーラス波動を捉えたのとほぼ同時刻に地上(ガコナ・アラスカ)でオーロラ発光を観測し、数百ミリ秒の単位でコーラス波動とオーロラの明るさ発光領域の分布の変化が一致することを示しました。このように短いタイムスケールで、コーラス波動とオーロラ発光の変動が一致するのは予想外の発見でした。

コーラス波動が発生する宇宙空間と地上の観測地の距離は約3万キロメートル。オーロラは高エネルギー電子が大気中に降り込んで発生する現象ですので、まさにコーラス波動発生後、瞬時にオーロラ発光が起こったことになります。このような結果が得られたのは、PWINGの超高時間分解オーロラカメラと、「あらせ」の世界最高の時間分解能で電磁場の観測の同時観測が可能になったためです。

図2 ジオスペース探査衛星「あらせ」で観測したコーラス波動と地上観測網PWINGによりガコナ・アラスカで観測されたオーロラ発光の時間変化

図2 ジオスペース探査衛星「あらせ」で観測したコーラス波動と地上観測網PWINGによりガコナ・アラスカで観測されたオーロラ発光の時間変化。強いコーラス波動をジオスペースで観測したのとほぼ同時刻にオーロラ発光が観測されている。また、コーラス波動とオーロラ発光の変動は1秒以下のタイムスケールで一致している。 Credit: ERG science team

図3 観測されたオーロラ発光の空間分布の時間変化

図3 観測されたオーロラ発光の空間分布の時間変化。画像の1ピクセルごとの明るさの変化は磁力線に沿ってオーロラ発光の原因となる荷電粒子(この場合は電子)の時間変化に対応している。一方、オーロラ発光領域が変化するのは、オーロラ発光の原因となる荷電粒子が磁力線を横切る方向に空間変化していることに対応している。 Credit: ERG science team

図2が示すように、今回の研究では、コーラス波動とオーロラ発光を一対一対応させることに成功しました。つまり、ジオスペースにおいて「一点」の観測を地上の観測と結びつけることができたのです。次のステップはこの情報を使って、地上のオーロラ観測データからジオスペースでのコーラス波動の広がりや変動を推測することです。コーラス波動はジオスペースの高エネルギー荷電粒子の増減に寄与します。オーロラ観測から、ジオスペースのどこで、どのくらいの範囲にわたって、どのくらいの強さのコーラス波動が発生し、継続時間はどのくらいだったのかを知ることができれば、高エネルギー荷電粒子がどこで、どのくらい増加するのかの予測につながります。より正確な宇宙天気予報を実現するため、今後も「あらせ」や地上観測網、また、海外で打ち上げられた衛星の観測が続きます。

本研究は、科学研究費助成事業(15H05747, 15H05815, 16H06286, 16H04056, 17H06140, 17K06456)および金沢大学先魁プロジェクトの支援を受けて実施されました。また、PWINGの観測網は主に特別推進研究支援によって整備されました。また、PWING地上観測網データベース構築の一部は、IUGONET(Inter-university Upper atmosphere Global Observation NETwork)の支援を受けました。科学衛星「あらせ」、地上観測データは、JAXA宇宙科学研究所と名古屋大学が共同運用しているERGサイエンスセンターから配信されているものです。

参考リンク:
PWING  http://www.isee.nagoya-u.ac.jp/dimr/PWING/

掲載論文

掲載誌:Nature Communications

論文名:"Visualization of rapid electron precipitation via chorus element wave-particle interactions"
(コーラスエレメント波動粒子相互作用による急速電子降下の可視化)

著者名:Mitsunori Ozaki1, Yoshizumi Miyoshi2, Kazuo Shiokawa2, Keisuke Hosokawa3, Shin-ichiro Oyama2, 4, 5, Ryuho Kataoka5, 6, Yusuke Ebihara7, Yasunobu Ogawa5, 6, Yoshiya Kasahara1, Satoshi Yagitani1, Yasumasa Kasaba8, Atsushi Kumamoto8, Fuminori Tsuchiya8, Shoya Matsuda9, Yuto Katoh8, Mitsuru Hikishima9, Satoshi Kurita2, Yuichi Otsuka2, Robert C. Moore10, Yoshimasa Tanaka5, 6, 11, Masahito Nosé2, Tsutomu Nagatsuma12, Nozomu Nishitani2, Akira Kadokura5, 6, 11, Martin Connors13, Takumi Inoue1, Ayako Matsuoka9, and Iku Shinohara9
(尾崎 光紀1,三好 由純2,塩川 和夫2,細川 敬祐3,大山 伸一郎2, 4, 5,片岡 龍峰5, 6,海老原 祐輔7,小川 泰信5, 6,笠原 禎也1,八木谷 聡1,笠羽 康正8,熊本 篤志8,土屋 史紀8,松田 昇也9,加藤 雄人8,疋島 充9,栗田 怜2,大塚 雄一2,Robert C. Moore10,田中 良昌5, 6, 11,能勢 正仁2,長妻 努12,西谷 望2,門倉 昭5, 6, 11,Martin Connors13,井上 拓海1,松岡 彩子9,篠原 育9

1 金沢大学,2 名古屋大学,3 電気通信大学,4 オウル大学,5 国立極地研究所,6 総合研究大学院大学,7 京都大学,8 東北大学,9 JAXA宇宙科学研究所,10 フロリダ大学,11 データサイエンス共同利用基盤施設,12 国立研究開発法人情報通信研究機構,13 アサバスカ大学

掲載日時:
2019年1月16日10時(英国時間)にオンライン版に掲載
DOI:10.1038/s41467-018-0799