EnglishGEMSIS-電離圏 (Ionosphere)
内部磁気圏・電離圏結合の研究
内部磁気圏と呼ばれる地球近くの宇宙空間は、磁力線の構造上、高エネルギーのイオンや電子が蓄積されやすくなっています。磁気嵐時には、より多くの荷電粒子が蓄積され、地球を取り囲む巨大な電流「リングカレント」が発達します。リングカレントは、地磁気を数日間にわたって減少させることから、磁気嵐の象徴と考えられています。リングカレントが駆動する沿磁力線電流は電離圏に流入し、磁気嵐時に特有の電場ポテンシャルを形成します。
電離圏プラズマの短周期変動
内部磁気圏と電離圏とが結合したリングカレントのシミュレーションに、人工衛星が観測した地球遠方の荷電粒子の分布を境界条件として与えることによって、北海道-陸別短波レーダーが観測した電離圏プラズマの短周期変動を再現することに成功しました。この結果から、磁気嵐時のリングカレントは単層構造ではなく多層構造をなしているという傍証を得ることができました。これは、衛星観測、地上観測、シミュレーションが一体となることによって、ジオスペース環境をより詳細に理解できることを示す好例であると言えます。また、同様のシミュレーションによって、電離圏の対流が逆流する現象「過遮蔽」を定量的に再現することにも成功しています。これらの結果は、国内外の学会において招待講演として発表され、また、二編の論文として米国地球物理連合学会誌に掲載されました。
磁気嵐時に北海道-陸別短波レーダーが観測した電離圏プラズマ流の短時間変動です。衛星観測で得られた物理量を磁気圏と電離圏が結合したシミュレーションの境界条件として与え、地上レーダー観測をシミュレートしたところ、電離圏プラズマ流の短時間変動を再現することに成功しました。
シミュレーションによって再現された内部磁気圏のプラズマ圧（リングカレント）の多層構造です。中央の円は地球を示しています。地球の近くに集積したプラズマ圧の多層構造が移動することによって、観測された電離圏プラズマ流を（驚異的に！）うまく説明できます。これは、衛星観測・地上観測・シミュレーションが一体となった研究の有用性を示す好例と言えるでしょう。
磁気嵐・サブストーム時の磁気圏電離圏電磁結合
南向き惑星間空間磁場 (IMF) により強められた朝夕方向の磁気圏対流電場が低緯度電離圏へ伝搬し、赤道ジェット電流 (EEJ) を強め、領域1型沿磁力線電流との間に電流回路を形成します。また、南向きIMFの減少、またはIMF 北向き反転により、電離圏に逆向き電流、赤道において逆向きジェット電流 (CEJ) が発達します。EEJ電流系は磁気嵐主相とサブストーム成長相において発達し、CEJ電流系は磁気嵐回復相とサブストーム成長相において発達します。 この2種類の電流系が磁気圏電離圏結合系において発生する磁場変動現象を理解する上で基本であり、IMF変動に起因する準周期DP2磁場変動においても、変動の正と負の部分を構成する電流系であることが明らかになりました。
惑星間空間磁場の南転に伴う内部磁気圏対流電場の応答
CRRES衛星のデータを用い、惑星間空間磁場(IMF) の南転・北転に伴う内部磁気圏対流電場の応答時間を調べました。その結果、電子プラズマシート地球側では電場はIMFの変動に伴い、すぐに応答する一方、プラズマシートでは電場の応答は遅いという領域依存性が見出されました。さらに、Akebono衛星との同時観測では、5 Re以上離れた点で電場が同時に増大する様子が見られ、この瞬時電場増大は広い領域に及んでいることが分かりました。また、Cluster衛星でポインティングフラックスを計測したところ、磁気急始に伴い電離圏から磁気圏へと磁力線に沿って伝搬するポインティングフラックスが計測されました。この結果は、地上-電離圏導波管を高速に電磁エネルギーが磁気圏にまで輸送されていることを表しています。
参考文献: Nishimura et al., JGR, 2009
リングカレントの速い消失と陽子オーロラ主オーバルの形成
リングカレントは磁気嵐回復相初期において速い消失を示すことが多いですが、その原因については良くわかっていませんでした。磁力線の曲率半径が小さくなるとリングカレントを支えているイオンはピッチ角散乱を受けます。この効果を定量的に検証するためのシミュレーションを実施しました。その結果をDst指数、IMAGE衛星が観測した陽子オーロラ、IMAGE衛星が観測した中性水素原子と比較したところ、その性質を再現し得ることがわかりました。
2000年8月12日の磁気嵐における陽子オーロラ（青）と高速中性陽子（赤）。左側はIMAGE衛星の観測によるもの、右側はシミュレーションによるもの。中心の円は地球、数字は磁気地方時を示している。
これまでになく微細な拡散型オーロラの発見
オーロラ帯の低緯度側に現れる所謂サブオーロラ帯オーロラについては1970年代から報告があります。れいめい衛星による光と粒子の同時観測により、サブオーロラ帯オーロラは極めて微細な構造を持つことが明らかになりました。光学観測によると最も微細なところで少なくとも約1.8 km、粒子の観測によると約0.6 kmあります。Tsyganenkoの磁場モデルを使って磁気赤道面に投影すると、プラズマ圧を支えている典型的な陽子のジャイロ半径よりも遙かに小さいです。微細な構造が何を反映し何故作られるのか、磁気圏の最小スケールは何が決めるのかという点について疑問を投げかけました。