Estimation of the radial diffusion coefficient of REE-associated

ground Pc 5 in the radiation belt

宇宙科学研究所　宇宙プラズマ研究系　松岡研究室プロジェクト研究員　藤本　晶子

2/32

九州大学で学部～博士課程 地上磁場観測

– 磁力計の国内外への設置– データ収集システム構築

九州大学小型衛星開発– 科学ミッション搭載磁力

計 沿磁力線電流

200

-200

0635 0640 0645

Ba[nT]

[Haraguchi et al, 2004]

3/32

修士～博士課程における研究活動

放射線帯相対論電子異常増加に関する地上 Pc 5 脈動から

導出した動径方向拡散係数の推定と関数モデル構築

博士論文

地上磁場衛星電子

[Rostoker et al., 1998]

3 ヵ月

Pc 5 脈動

◎ 周期 : 150-600 秒◎ 一般的に高緯度 (60-70

度 ) で観測．◎ 磁気嵐時 : 数百 nT ．

4/32

放射線帯

内帯 ( ～ 2Re)外帯

(3.5Re ～ 7Re) 出典 : http://svs.gsfc.nasa.gov/vis/a000000/a003000/a003052/index.html

太陽風の影響を受けて，劇的に変動する放射線帯 ( 紫色部分 )

1. はじめに

◎ 磁気圏磁場に最高エネルギー (MeV) の粒子が捕捉されている◎ 多数の人工衛星が飛翔する領域．

5/32

放射線帯

外帯

内帯

「あけぼの」衛星による観測 2.5MeV 以上の放射線帯電子フラックス

消失 増加

出典 : [ 宇宙科学最前線 ＩＳＡＳニュース No.302] 　

8

6

4

2

L 値( 地球中心からの規格距離 )

0-100

Dst index [nT]( 磁気嵐指標 )

電子フラックス大

電子フラックス小

day of year, 1993

磁気嵐の発生

30 60 90 120 150 180

1958 年 　　 : Van Allen が発見1990 年代後半 : 衛星観測により，放射線帯ダイナミクスな変動が明らかに．

いつ，どこで，どのようにして放射線帯の高エネルギー電子は増えるのか？

1. はじめに

6/32

外部供給

内部加速電子磁気圏外へ

消失

電離圏へ消失

電子

電子の加速 ( 外部供給と内部加速 ) と消失の競合過程

放射線帯

放射線帯形成機構

Pc5

VLF

MeV 電子の軌道

プラズマシート動径方向へのMeV 電子輸送

[Reeves, 2007]

EMIC

MeV 電子加速を担うのは :(1) 外部供給では電磁流体波動(2) 内部加速ではプラズマ波動

1. はじめに

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放射線帯粒子の輸送・加速機構

地球

外部供給

内部加速電子

ororor外部供給 内部加速 外部内部 外部内部

MeV 電子の加速・輸送機構において，外部供給と内部加速のどちらが支配的なプロセスかは明らかでない

可能性として :

どちらが支配的なプロセスかを解明するためには，「外部供給」・「内部加速」を担い得る Pc 5 脈動，プラズマ波動の空間分布を明らかにする必要がある

本研究では，外部供給を担う断熱輸送過程について

地上磁場観測の立場から輸送を担い得る Pc 5 脈動

について研究を行った．

1. はじめに

8/32

放射線帯電子運動を決定する断熱不変量

[Modified Baumjohann and Treumann, 1997]

反射点 磁力線

放射線帯電子旋回軌跡

( ～ 10-4 sec)

バウンス( ～ 1 sec)

N

S

電子ドリフト

( ～ 103 sec)

②

①

③

第 1 断熱不変量 : 　磁気モーメント不変量第 2 断熱不変量 : 　磁力線に沿った粒子の運動量積分不変量第 3 断熱不変量 : 　磁気フラックス不変量

磁気圏 Pc 5 脈動が電子の輸送を担う有力な候補

L 値地球中心からの規格距離

1. はじめに

9/32

放射線帯粒子の輸送・加速機構どのようにして MeVまで加速するか ?

◎ 外部供給プラズマシートで大きな磁気モーメント (μ) をもつ電子が，断熱的に内部磁気圏に輸送され，放射線帯を形成．

断熱加速 = 磁気モーメントを保存 地

球

断熱輸送電子

プラズマシート

Ba Bb

ba BB

磁場

(位置 a) (位置 b)

一定

B

E

mB

P

2

2

aa

bb

b

b

a

a

ba

EB

BE

B

E

B

E

aba

b EEB

B 1

電子の輸送時 :

1. はじめに

10/32

外部供給に関する理論研究

- 1960 年代に基本描像が確立。磁気圏の電磁場の擾乱で輸送が起こる。　 1990 年代後半に、周期数分のグローバルなプラズマ波動（MHD 波動）が、 ドリフト共鳴で、輸送を引き起こすことができることが理論的に発見。MHD シミュレーション中での粒子の軌跡 (Elkington et al.,

[2004])

1. はじめに

11/32

相対論電子異常増加時 非相対論電子異常増加時

放射線帯電子と地上 Pc 5 脈動

地上 Pc 5 脈動の放射線帯電子増加との強い関連性磁気嵐回復相開始時刻

1. はじめに

12/32先行地上観測研究からわかっていること①

②

①②

③

③

磁気嵐回復相以降①高速太陽風中に数十時間継続する Alfvénic 変動②磁気圏で Pc5 脈動が数十時間継続して卓越　⇒ ③静止軌道高エネルギー電子フラックス異常増加

1. はじめに

13/32

外部供給に関する問題点2. 研究目的

◎広帯域周波数特性◎ 内部磁気圏に一様分布◎経度方向の波動モード数 :小

Pc 5

動径方向拡散モデル

◎ 観測的・定量的に，動径方向拡散による外部供給過程　　はほとんど実証されていない◎ 外部供給を担う地上 Pc 5 脈動として，理論・観測研究と　　もに実際の波動特性・分布は考慮されてこなかった

明らかにすること

◎ どの領域 ( 緯度方向，地方時 )

◎ どのような特性の Pc 5 脈動( 周波数特性，経度方向波数 )

によって，外部供給過程が発動しているか ?

14/32

外部供給過程の実証要件2. 研究目的

どの領域 ( 緯度方向，地方時 ) で，動径方向拡散が起きているかを明らかにする

外部供給過程

位相空間密度の時間変化の直接観測

内部加速過程

位相空間密度 位相空間密度

どのような特性の Pc 5 脈動が寄与しているか ?

2 L 8 2 L 8

f (μ, K, L)

[Green et al, 2004]

15/32

現在，放射線帯粒子の位相空間密度の時間変化を測定するのに適した衛星観測は行われていない

動径方向拡散係数を用いた外部供給過程の検証2. 研究目的

lossL

f

L

D

LL

t

f LL

22動径方向輸送モデル :

f は位相空間密度

動径方向拡散係数 (= 拡散効率 ) を多点地上磁場観測から推定し，Pc 5 脈動が動径方向拡散による電子の断熱輸送過程を担い得るかどうか，定量的に評価する．

),(8

),(22

6

LfPSDBR

LLfD E

eqeqE

LL

動径方向拡散係数の式 : [Brizard and Chan, 2004]

磁気圏赤道電場のパワースペクトル密度

16/32

1. 磁場データ南北成分 ( 地上 H 成分 )

東西成分 ( 地上 D 成分 )

2. 放射線帯 MeV 電子GOES 衛星 2MeV 以上電子フラッ

クス

3. 太陽風データACE 衛星: 太陽風速度，動圧，惑星間空間磁場

4. 磁気嵐指標Dst 指数

5. 観測期間2008 年の磁気嵐 計 12 イベント

地上磁場観測網

GOES衛星

ACE 衛星

観測データ3. 解析

多点地上磁場観測網

17/32

磁気嵐イベント選定3. 解析

REE イベント閾値

静止軌道高エネルギー電子フラックスが磁気嵐回復相開始後 3日までに104[cm2/sec/str] を超える場合

↑回復相開始時刻

REE 磁気嵐は 12 イベント見つかった(右図● )

18/32事例解析 : 2008 年 3 月磁気嵐イベント小規模な磁気嵐 (3/26 ~ )・ CIR (共回転相互作用領域 ) に起因・初相 : 01UT ( + 6 nT) ~ 10UT (+25 nT)・主相 : 10UT (+25 nT) ~ 19UT (- 41 nT) : 大きさ 66 nT・回復相 : 19 UT ~

地磁気活動度磁気嵐規模

26, March 2008

コロナホール起源高速風

3.事例解析 (March, 2008)

19/32

東西成分

Universal Time

Pc 5活動度

強

弱

主相 回復相磁気嵐前

磁気嵐時の Pc 5 脈動活動

•磁気嵐前 : 　 L>5 ・昼側で Pc 5 脈動卓越

•磁気嵐期間 : 　静穏時に比べて低緯度 (L ～ 4)側まで Pc 5 脈動が侵入

電子フラックス

※Pc5 脈動周波数帯(1.67-6.67mHz) のパワースペクトル積分値

3.事例解析 (March, 2008)

南北成分

20/323.統計解析

狭帯域の条件 : Q 値 = Δf / fo << 1

Pc 5 脈動の周波数特性

FHCU(L=7.42) GLY(L=3.38)

南北・東西成分共に， L 値に依存せず狭帯域 Pc 5 脈動であった．

hh/2Δf

fo→

周波数←

パワー

スペクトル

Narrow-band or broad-band ULF wave?

21/32

1.67mHz

6.67mHz

nT2 /

mH

z

Pc 5 脈動の継続時間 (1): 同定方法

(1) 1 時間のパワースペクトル(2)静穏時パワースペクトル

磁気嵐前の静穏な 2日間における周波数 -パワースペクトル平均値

脈動継続時間算出方法(2)静穏時Pc5 脈動 Pc 5 脈動活動

Pc 5 脈動活動 = (1) と (2) の差分

(1)

Pc 5 脈動範囲

ノーマライズしたパワースペクトル積分値の時間変化

◎f1=1.67, f2=2.5mHz の場合 :

f1 f2

半値幅Δf

ΔT

3.統計解析

22/32

Pc 5 脈動の継続時間 (2): 結果

積分周波数範囲・緯度に関係なく， 2 時間程度であった．

3.統計解析

様々なスペクトル積分範囲

Pc 5 脈動の継続時間の特徴

23/32

経度方向波数の空間分布3.統計解析

26 March 2008, 0900-1000UT

m ～ 1

(1)

(2)

(3)

(1) 2 観測点の磁場データのCross power spectral densityを計算

(2) 相互相関係数が 0.6 以上を選択

(3) 波数 (m) =位相 /経度差

◎同定方法

経度

緯度

KEVABK

経度差

18.82 27.01

24/32

グローバル Pc 5 脈動なのか ?

異なる地方時で Pc 5 脈動がコヒーレントである

Pc 5 脈動の経度方向波数の空間分布

南北成分

東西成分

南北成分 : 波数 m ～　 1 - 3東西成分 : 波数 m ～　 2 - 4

↓波数 ( 小 ) の Pc 5 脈動が

支配的

3.統計解析

◎結果

◎考察( ～ 200º)

( ～10º)

地方時が離れた 2 観測点の Pc 5 脈動は相関が悪い

局在化構造

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REE 発生時の Pc 5 脈動の特性

Pc 5

3. ここまでのまとめ

・ Pc 5強度 : 静穏時に比べて低緯度側 (L<4) でも発達して

いた

・周波数特性 : 狭帯域 (Q 値　 << 1)

・ Pc 5 の継続時間 : ～ 2 時間

・経度方向波数 : 　波数小　～ 4 　 断熱輸送過程を担いう

るこれまでは電子の断熱輸送過程において本質的な役割を果たすと考えられてきた Pc 5 脈動の時空間分布は一様であるとの仮定の下に様々な評価がなされてきた．

REE-associated Pc 5 の特性

REE-associated Pc 5 脈動に関する動径方向拡散係数 の推定

本研究において地上に於ける Pc 5 脈動分布は時空間的な非一様性が究めて高いことが地上磁場観測から明らかになった．

26/32

Bg

Bi

Ei

Eeq

磁力線

(1)

(2)

(3)

電離層

地上磁場から磁気圏赤道電場への投影

地上磁場 ↓ ・・・ (1)

電離圏磁場　　　↓　 ・・・

(2)電離圏電場↓ 　 ・・・ (3)

磁気圏赤道面電場

4. 動径方向拡散係数の推定

),(8

),(22

6

LfPSDBR

LLfD E

eqeqE

LL

動径方向拡散係数の式 : [Brizard and Chan, 2004]

磁気圏赤道電場のパワースペクトル密度

地上磁場データから磁気圏赤道電場の推定が必要

投影手法

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地上磁場から磁気圏赤道電場への投影手法4. 動径方向拡散係数の推定

卓越周波数 磁場振幅 波数 L 値

fob [mHz] δB [nT] m Ls観測点における磁場観測データ

EradSnT R

hLmδB

21

2][

22

][

4exp

2

1

ion

i

eqob

eq δBδB

δEfδE

[mHz]3

投影における Pc 5 脈動仮定

・ Ozeke et al., 2004, 2009 の応用・ Alfvén guided モード・ fundamental 周波数・電離圏高度 : h 　～　 100km

磁力線共鳴の空間幅 ( ～ 400Km)

28/32

動径方向拡散係数の評価

動径方向拡散時間

LL

LL D

L

2

2

[Schultz and Lanzerotti, 1974]

lossL

f

L

D

LL

t

f LL

22動径方向輸送モデル f は位相空間密度

ドリフト周期

(

時間

)

[Lyons and Schulz, 1989JGR]

6

1

0.1

1024

100

1 2 3 4 5 6 7 8 9L 値 ( 地球地心距離 )

対流時間スケー

ル動径方向輸送時間ス

ケー

ル

加速に効かない

加速に効く

加速効率大 加速効率小

拡散係数 (DLL) 大 小

拡散時間 (τLL) 小 大

6 時間以上

6 時間以下

4. 動径方向拡散係数の推定

29/32

遅

拡散時間

[ho

ur]

速

磁気嵐

電子フラッ

クス

投影磁気圏赤道電場に基づく拡散時間4. 動径方向拡散係数の推定　 (事例解析 )

対流時間スケール

動径方向輸送時間スケール →加速に効く

→加速に効かない

例 : 高緯度側RABB(L=6.53)Pc 5: 2.97mHz

静止軌道高エネルギー電子フラックス増加期間には，拡散時間は動径方向輸送時間スケールが支配的．

Pc 5 脈動 (L ～ 6) が高エネルギー電子の動径方向への輸送に寄与する

30/32

Pc 5 脈動 (2.97mHz) の拡散時間

動径方向拡散係数の緯度方向分布特性4. 動径方向拡散係数の推定　 (統計解析 )

[ 電子フラックス ]・ t=0-1.5 days: 　増加し始める・ t=2.0 day : REE閾値到達

[Pc 5 脈動 ]・ t=0-0.5 days: 　両成分において　　 L ～ 5付近まで加速に効く・ t=0.5 days 以降 : 　　 L>6 では加速に効く　　 L<6 では加速への寄与小

磁気嵐 12 イベントの統計解析結果

※Epoch Day = 0 : 回復相開始時刻

31/32

結果地上磁場観測に基づく動径方向拡散係数の見積り

・静止軌道高エネルギー電子フラックスの増加時

高緯度側(L>5)

動径方向拡散時間スケール支配的

加速に効く

低緯度側(L<5)

対流時間スケール支配的 加速に効かない

4. 動径方向拡散係数の推定

電子動径方向拡散に効く

東西成分南北成分

発生率

太陽方向

32/32

まとめと今後まとめ■地上に於ける Pc5 脈動分布は時空間的な非一様性が究

めて高い (狭帯域，～ 2 時間，波数小～ 4)

■高緯度 (L>5) 領域で電子の動径方向拡散に寄与している　　放射線帯電子の種となる数百 keV の電子の輸送に寄与 ?

今後の課題■地上・衛星観測の利点融合　　 ULF 波動モード構造マップ　　地上から磁気圏内 ULF 波動のモニタリング