極冠域電離圏における低エネルギ極冠域電離圏における低エネルギー降下電子の起源についてー降下電子の起源について

[1][1] 東京大学大学院 理学系研究科 地球惑星科学専攻東京大学大学院 理学系研究科 地球惑星科学専攻[2]ISAS/JAXA[2]ISAS/JAXA

** 北野谷有吾北野谷有吾 [1][1] 、阿部琢美、阿部琢美 [2][2] 、向井利、向井利典典 [2][2]

20112011 年年 66 月月 11 日（水） 日（水） SPTSPT セミナー　セミナー　1515 時～時～

On the origin of low-energy downward electrons On the origin of low-energy downward electrons in the polar cap ionospherein the polar cap ionosphere

Background1: Ion up-flow in the polar capBackground1: Ion up-flow in the polar cap

Fig. Ion up-flow (Polar wind)Fig. Ion up-flow (Polar wind)

・圧力勾配に拡散の際、・圧力勾配に拡散の際、 OO++ と電子との質量差と電子との質量差から、から、分極電分極電場場が発生し、軽いが発生し、軽い HH++ などのイオンが上向きの加速を受ける。などのイオンが上向きの加速を受ける。

・・ HH++== ～～ 20km/s, O20km/s, O++== ～～ 5km/s5km/s at ALT 2Rat ALT 2REE

・高度・高度 2R2REE 以上では、以上では、顕著なイオンの加速が見られない。顕著なイオンの加速が見られない。

Fig. Simulation of ion velocity and electric Fig. Simulation of ion velocity and electric potential altitude profile on dayside during potential altitude profile on dayside during

solar activity [Su et al.,1998]solar activity [Su et al.,1998]

--

++

EEO+O+

e-e-

Potential [V]Potential [V]Ion velocity [km/s]Ion velocity [km/s]

HH++OO++

Alti

tude

RA

ltitu

de R

EE [k

m]

[km

]

Fig. Fig. 分極電場分極電場

Fig. The potential barrierFig. The potential barrierin the high-altitude polar capin the high-altitude polar cap

[Su et al.,1998] [Su et al.,1998]

・・ HH++== ～～ 45km/s, O45km/s, O++== ～～ 27km/s27km/s （平均） （平均） aat 8 Rt 8 REE

by POLARby POLAR 衛星衛星

・極冠域の昼側において、・極冠域の昼側において、低エネルギーの降低エネルギーの降下電子下電子 ( 10-60eV)≒( 10-60eV)≒ を観測（を観測（ anomalousanomalous な結な結果果））

by ISIS-1,DE-2, Akebonoby ISIS-1,DE-2, Akebono 衛星衛星

・電離圏起源の光電子・電離圏起源の光電子 ( 10-60eV)≒( 10-60eV)≒ が、極冠が、極冠域の高高度に存在する域の高高度に存在する the potential barrierthe potential barrierにより下向きに加速を受け、により下向きに加速を受け、低エネルギーの低エネルギーの降下電子（ ≒降下電子（ ≒ 10-60eV10-60eV ））を生成？を生成？※※ 電子 → 下向きに加速、イオン → 上向きに加速電子 → 下向きに加速、イオン → 上向きに加速

Background2Background2 ： ： Ion outflow in the polar capIon outflow in the polar cap

ObjectivesObjectives ： 極冠域高高度における加速メカニズムの解： 極冠域高高度における加速メカニズムの解明明・・ AkebonoAkebono 衛星の衛星の低エネルギー降下電低エネルギー降下電子子の長期間の観測データの長期間の観測データ

↓↓・・統計解析から統計解析から、極冠域高高度に存在、極冠域高高度に存在する示唆されるする示唆される the potential barrierthe potential barrier にについて詳細な理解ついて詳細な理解↓↓・極冠域高高度における加速メカニズ・極冠域高高度における加速メカニズムの解明ムの解明

2R2REE

Alti

tude

Alti

tude

－ － Potential [V]Potential [V]

The potential barrierThe potential barrier

磁気圏磁気圏

電離圏電離圏

IonIon

Fig. Fig. 極冠域のポテンシャルの高度分布案極冠域のポテンシャルの高度分布案

Ion outflowIon outflow

※※The potential barrierThe potential barrier の発生案：の発生案：流出する光電子 → 電離圏が正に帯電 流出する光電子 → 電離圏が正に帯電 → → 降下する光電子降下する光電子

[Winningham and Gurgiolo, 1982][Winningham and Gurgiolo, 1982]

Photoelectron Photoelectron (( ～～ 10-60eV)10-60eV)

Photoelectron 10≒Photoelectron 10≒ 99 [/cm [/cm22s]s]Polar wind 10≒Polar wind 10≒ 88 [/cm [/cm22s]s]Polar rain = 10Polar rain = 1077-10-1088 [/cm [/cm22s]s]

Using observation dataUsing observation data ： ： Akebono satelliteAkebono satellite

打ち上げ日：　打ち上げ日：　 19891989 年年 22 月月運用期間：　現在も運用中運用期間：　現在も運用中衛星軌道：　極軌道、衛星軌道：　極軌道、 11 日に地球を約日に地球を約 88 周周搭載測定器：搭載測定器：　（　（ 11 ）　）　 33 軸フラックスゲート磁力計 軸フラックスゲート磁力計 (MGF)(MGF)　（　（ 22 ）　電場計測器 ）　電場計測器 (EFD)(EFD)　　（（ 33 ）　低エネルギー荷電粒子分析器 ）　低エネルギー荷電粒子分析器 (LEP)(LEP)　（　（ 44 ）　熱的および非熱的イオン分析器 ）　熱的および非熱的イオン分析器 (SMS)(SMS)　（　（ 55 ）　熱的電子検出器 ）　熱的電子検出器 (TED)(TED)　（　（ 66 ）　）　 VLFVLF 波動受信機 波動受信機 (VLF)(VLF)　（　（ 77 ）　）　 HFHF 波動受信機および波動受信機および　　　　　　トップサイド・サウンダー 　　　　　　トップサイド・サウンダー (PWS)(PWS)　（　（ 88 ）　可視・紫外オーロラ撮像カメラ ）　可視・紫外オーロラ撮像カメラ (ATV)(ATV)

Fig. Akebono (EXOS-D) SatelliteFig. Akebono (EXOS-D) Satellite

打ち上げ目的：オーロラに関連した磁気圏の物理現象の解打ち上げ目的：オーロラに関連した磁気圏の物理現象の解明明

LEP (Low Energy Particle)LEP (Low Energy Particle)　→　電子・イオンのエネルギー別（　→　電子・イオンのエネルギー別（ in 10-10keVin 10-10keV ）、ピッチ角別のカウント）、ピッチ角別のカウント　→　特に　→　特に低エネルギー降下電子（≒低エネルギー降下電子（≒ 10-60eV10-60eV ））に注目（に注目（ 19891989 年年 33 月～月～19971997 年年 1212 月月））

Observations1Observations1 ： ： Low energy downward electronLow energy downward electron1990/1/30 19:46-20:20 North-Hemisphere1990/1/30 19:46-20:20 North-Hemisphere

Fig. Akebono observations in the polar capFig. Akebono observations in the polar cap

Prob

e B

ias

[eV]

Prob

e B

ias

[eV]

Ener

gy [e

V]En

ergy

[eV]

Fig. Akebono orbitFig. Akebono orbit

Second Harmonic CurrentSecond Harmonic Current(Thermal Electron energy Distribution)(Thermal Electron energy Distribution)

DownwardDownward Electron Electron

UpwardUpward Electron (Photoelectron) Electron (Photoelectron)DaysideDayside NightsideNightside

①① ②②←← 研究対象研究対象熱的電子（数熱的電子（数 eVeV 以以

下）下）

12h12h

6h6h

0h0h

18h18h80°80°

70°70°

MLTMLT

MLATMLAT

・・領域②領域②：一般的な極冠域では、：一般的な極冠域では、低エネルギーの降下電子が観測される。低エネルギーの降下電子が観測される。・・領域①領域①：極冠域に侵入した：極冠域に侵入した SED/TOISED/TOI （プラズマ圏からのプラズマ輸（プラズマ圏からのプラズマ輸送）送）内では、一般的な極冠域に比べ、プラズマ密度が大きく、低温など特内では、一般的な極冠域に比べ、プラズマ密度が大きく、低温など特殊な環境下であり、また殊な環境下であり、また低エネルギーの降下電子の量は小さい。低エネルギーの降下電子の量は小さい。

※※The potential barrierThe potential barrier の大きの大きさが何か（プラズマ環境）にさが何か（プラズマ環境）に依存して変化すると考えられ依存して変化すると考えられる。る。

Energy [eV]Energy [eV]

Pitc

h A

ngle

[°]

Pitc

h A

ngle

[°]

Upward Upward (Photoelectron)(Photoelectron)

DownwardDownward

①① ②②

Fig. Electron energy distribution of each pitch-angle by AkebonoFig. Electron energy distribution of each pitch-angle by Akebono

1990/1/30 19:46-20:20 North-Hemisphere1990/1/30 19:46-20:20 North-Hemisphere

②② より、より、・低エネルギー降下電子は、光電子と異なり、・低エネルギー降下電子は、光電子と異なり、より低エネルギーに分布をより低エネルギーに分布を持つ。持つ。・・ The potential barrierThe potential barrier の大きさは、の大きさは、 30eV30eV 付近付近と示唆できる。と示唆できる。

一般的な極冠域一般的な極冠域

研究対象研究対象

Observations2Observations2 ： ： Low energy downward electronLow energy downward electron

※※ 低エネルギーの降下電子の起源は、 電離圏からの光電子？低エネルギーの降下電子の起源は、 電離圏からの光電子？D

own(

13-6

0eV)

×10

Dow

n(13

-60e

V) ×

1066 [/

cm[/cm

22 s]s]

Fig. Up photoelectron .vs. Down low Fig. Up photoelectron .vs. Down low energy electron by Akebono energy electron by Akebono

( )☆( )☆ ( )☆( )☆ の領域の領域に、プロットがない。に、プロットがない。→→ 低エネルギー降下電子は、低エネルギー降下電子は、 UpUp 光光電子の量を上回らない。電子の量を上回らない。つまり、低エネルギーの降下電子は、つまり、低エネルギーの降下電子は、磁気圏起源ではなく、磁気圏起源ではなく、 UpUp 光電子が光電子が起源起源である可能性を示唆。である可能性を示唆。

統計解析統計解析 11 ： ： UpUp 光電子と低エネルギー光電子と低エネルギー DownDown 電子との相関電子との相関・観測データの条件：・観測データの条件： 19901990 年年 , ILAT>80, ALT3000-, ILAT>80, ALT3000-10000km10000km

Up(13-60eV) ×10Up(13-60eV) ×1066[/cm[/cm22s]s]

Event Count = 3934Event Count = 3934

DOWN/UP(13-60eV) [%]DOWN/UP(13-60eV) [%]

Obs

erva

tion

Frac

tion

[%]

Obs

erva

tion

Frac

tion

[%]

Fig. Observation fraction of low energy downward electron ratioFig. Observation fraction of low energy downward electron ratio

・ ・ UpUp 光電子に対する低エネルギー降下電子の割合は幅広く分布している。光電子に対する低エネルギー降下電子の割合は幅広く分布している。　　　　 (i) (i) 静穏時（静穏時（ Kp 2≦Kp 2≦ ）：約）：約 60-100%60-100%

　　　　 (ii) (ii) 擾乱時（擾乱時（ Kp 4≧Kp 4≧ ）：約）：約 40-80%40-80% 　←　　←　 SED/TOISED/TOI によるプラズマ環境の変化が原因？によるプラズマ環境の変化が原因？　　　　 (iii) Polar Rain(iii) Polar Rain 時：約時：約 80-100%80-100% 　←　高エネルギー降下電子によるプラズマ環境の変化が原　←　高エネルギー降下電子によるプラズマ環境の変化が原因？因？・極冠域高高度に存在する？ ・極冠域高高度に存在する？ The potential barrierThe potential barrier の大きさが何かに依存し、大きく変化しているの大きさが何かに依存し、大きく変化していると示唆。と示唆。

観測統計観測統計 22 ： ： UpUp 光電子に対する低エネルギー光電子に対する低エネルギー DownDown 電子の割合の観測電子の割合の観測頻度頻度・観測データの条件：・観測データの条件： 19901990 年年 , ILAT>80, SZA<90, ALT3000-, ILAT>80, SZA<90, ALT3000-10000km10000km

DOWN/UP(13-60eV) [%]DOWN/UP(13-60eV) [%]

Kp 2≦Kp 2≦

Kp 4≧Kp 4≧ Kp 2≦Kp 2≦

Polar rainPolar rain時時Event Count=1040Event Count=1040

Event Count=1484Event Count=1484

Event Count=1484Event Count=1484Event Count=662Event Count=662

☆☆1. 1. 高エネルギー降下電子に対する低エネルギー降下電子の割合の変化高エネルギー降下電子に対する低エネルギー降下電子の割合の変化

・高エネルギーの降下電子が極冠域・高エネルギーの降下電子が極冠域に降り込むとき、なんらかのメカニに降り込むとき、なんらかのメカニズムが働き（プラズマ環境の変ズムが働き（プラズマ環境の変化？）、化？）、 the potential barrierthe potential barrier の大きの大きさが増加していることを示唆。さが増加していることを示唆。

・観測データの条件：・観測データの条件： 19901990 年年 , ILAT>80, SZA<90, ALT3000-, ILAT>80, SZA<90, ALT3000-10000km10000km

[A] Polar Rain[A] Polar Rain ななしし

[B] Polar Rain[B] Polar Rain あありり

UPUP

DOWNDOWN

×10×1066 ×10×1066

×10×1066 ×10×1066

36,47,60eV36,47,60eV

Polar RainPolar Rain

[A][A] [B][B]

☆☆2. Up2. Up 光電子に対する低エネルギー光電子に対する低エネルギー DownDown 電子の割合の変化電子の割合の変化

・低エネルギー降下電子が減少するにつれて、エネルギ・低エネルギー降下電子が減少するにつれて、エネルギーの高いほうの低エネルギーの降下電子から減っている。ーの高いほうの低エネルギーの降下電子から減っている。※※ 低エネルギー降下電子の割合は、低エネルギー降下電子の割合は、the potential barrierthe potential barrier の大きさを反映の大きさを反映していると示唆。していると示唆。

UPUP

DOWNDOWN

[1][1]

[2][2]

13eV13eV

28eV28eV 47eV47eV[1][1][2][2]

・観測データの条件：・観測データの条件： 19901990 年年 , ILAT>80, SZA<90, ILAT>80, SZA<90

Summary and future worksSummary and future works

・極冠域（高度・極冠域（高度 10000km10000km 以下）において、以下）において、 UpUp 光電子起源と考えられ光電子起源と考えられる低エネルギー降下電子が観測されている。 る低エネルギー降下電子が観測されている。 by Akebonoby Akebono （（ ISIS-1,DE-ISIS-1,DE-22 と同じ結果）と同じ結果）○○ 低エネルギー降下電子の低エネルギー降下電子の FluxFlux 量は、量は、　　　　 1.1. 　極冠域に、　極冠域に、一般的に一般的に存在する。存在する。　　　　 2.2. 　平均的には、　平均的には、 UpUp 光電子の光電子の FluxFlux 量の量の約約 80%80% 。。　　　　 3.3. 　　磁気圏起源ではない磁気圏起源ではないと示唆。と示唆。　　　　 4.4. 　その　その FluxFlux 量は、量は、ポテンシャルの壁の大きさポテンシャルの壁の大きさを反映しているとを反映していると示唆。示唆。○○ また低エネルギー降下電子の特徴から、また低エネルギー降下電子の特徴から、　　　　 5.5. 　ポテンシャルの壁の大きさは、　ポテンシャルの壁の大きさは、平均的に約平均的に約 20-30eV20-30eV 。。　　　　 6.6. 　　地磁気活動活発時、高密度時に、ポテンシャルが減少地磁気活動活発時、高密度時に、ポテンシャルが減少（≦約（≦約10eV10eV ））　　　　 7.7. 　　高エネルギー降下電子の観測時に、ポテンシャルが増加高エネルギー降下電子の観測時に、ポテンシャルが増加（≧（≧約約 50eV50eV ））

※※the potential barrierthe potential barrierの存在を示唆の存在を示唆

※※the potential barrierthe potential barrier は、極冠域は、極冠域ののプラズマ環境に依存プラズマ環境に依存しているしていることを示唆。ことを示唆。 ☆☆統計的な観測事実から、極冠域の高高度統計的な観測事実から、極冠域の高高度に存在すると示唆されるに存在すると示唆される the potential the potential barrierbarrier のメカニズムについて、さらなる解のメカニズムについて、さらなる解釈を試みる。釈を試みる。

Future worksFuture works

36,47,60eV36,47,60eV

Polar RainPolar Rain

※※The potential barrierThe potential barrier の発生案：の発生案：流出する光電子 → 電離圏が正に帯電 流出する光電子 → 電離圏が正に帯電 → → 降下する光電子降下する光電子

[Winningham and Gurgiolo, 1982][Winningham and Gurgiolo, 1982]

過去の研究と逆相関な結果過去の研究と逆相関な結果

磁気圏の磁気圏の hot plasmahot plasma／電離圏の／電離圏の cold plasma = cold plasma = 強い電場を生成？？強い電場を生成？？

1. 1. 観測事実を再現する理論を調査　（観測事実を再現する理論を調査　（ 6,76,7 月）月）2. 2. 観測事実を再現するモデルの作成と考察　（観測事実を再現するモデルの作成と考察　（ 7,87,8 月）月）