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Meridional distribution of the Earth’s plasmasphere derived

from extreme ultraviolet images

早川研 PD 　村上　豪

極端紫外光による撮像から明らかにする地球プラズマ圏の子午面分布

2011/06/08 @STP seminar

自己紹介

• 出身：東京大学　吉川研（ 2011 年 3 月卒）• 研究テーマ：人工衛星による惑星大気光観測　（基本的には実験屋）　 KAGUYA/ 極端紫外光望遠鏡（ UPI-TEX ）　 ISS/ 極端紫外光撮像装置（ IMAP-EUVI ）　 SPRINT-A/ 極端紫外光分光撮像装置

（ EXCEED ）　 BepiColombo/ 紫外光分光撮像装置（ PHEBUS ）　 BepiColombo/ 水星ナトリウム大気カメラ

（ MSASI ）

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博士論文　目次1. General introduction

2. In-orbit calibration of the Telescope of Extreme Ultraviolet onboard KAGUYA

3. First sequential images of the plasmasphere from the meridian perspective observed by KAGUYA

4. The plasmapause formation seen from meridian perspective observed by KAGUYA

5. Development of a multilayer mirror for Extreme Ultraviolet Imager onboard ISS-JEM

6. Concluding remarks

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本博士論文の成果世界初となるプラズマ圏の子午面撮像

①Finger 現象の正体が高密度プラズマで満たされた磁力管（ =Filament ）であることを明らかにした（第 3 章）

→Filament 現象が Refilling 問題を解明する鍵となることを示唆

② 擾乱時における夜側プラズマポーズの形成（ Erosion ）が赤道面付近から引き起こされている観測事実を得た（第 4 章）

→TEX による観測結果は Interchange によるプラズマポーズ形成論を支持

③ 次期プラズマ圏撮像計画に向け、従来（ Mo/Si ）よりも He I （ 58.4 nm ）の混入を 1/9 にまで抑えられる新たな多層膜反射鏡（ Y2O3/Al ）を開発した（第 5 章）

→Y2O3/Al 多層膜が新たな標準 EUV 反射鏡として実用的であることを示唆

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1. General introduction

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なぜプラズマ圏に注目するか？

[Chappell et al., 1971]

プラズマ圏

プラズマポーズ

磁気圏プラズマ圏

電離圏

太陽風

太陽風－磁気圏－電離圏の相互作用により変化に富み多様なプラズマが存在する環境が形成

プラズマ圏：最も低エネルギー（～ 1 eV ）のプラズマが高密度に満たされている領域

・背景電場の指標（ほとんどE×B ドリフトが支配）

・太陽風の変化に敏感に応答

・内部磁気圏における背景場として重要な役割（ Hiss, Chorus など）プラズマ圏における現象の解明は磁気圏内で最も根本的な背景となる物理過程の理解につながる

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プラズマ圏の変動

[Chappell et al., 1970]

対流電場弱強

地球

太陽

① 赤道面コンベクション

②①＋② 赤道面における磁力管の流れ

[Nishida, 1966]

太陽風に引き起こされる、磁気圏内の大規模な流れ = 対流　( 変動 )

地球の自転に引きずられることによる、磁力管の流れ＝共回転　( 定常 ) ＋

①

②

太陽風の変動に伴ってプラズマ圏は時々刻々と変動している

リモートセンシングが必要

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プラズマ圏の撮像プラズマ圏を構成するイオンのうち、 He+ は太陽光束中に含まれる極端紫外領域の波長 30.4nm の光を選択的に散乱する ( 共鳴散乱 )

プラズマ圏内のイオン成分分布[Horwitz et al., 1984] 共鳴散乱の概念図

比が一定（通常）

H(Lyman-α)He+

波長

白色光

30.4 nm

地球太陽

等方散乱

光学系製作に関する技術の進歩から 1990 年代後半にようやく確立

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IMAGE/EUV による撮像磁気圏やオーロラの探査を目的として、2000 年に NASA が打ち上げた極軌道周回衛星

EUV 撮像器 波長 30.4 nm における He+ の共鳴散乱光をプラズマ圏全体が視野に入るように遠地点付近から撮像

時間分解能　　 10 分

空間分解能　　 0.1 Re

プラズマ圏の空間構造とその時間変動を捉えることが可能

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IMAGE/EUV の成果

様々な局所構造の発見

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IMAGE/EUV の成果

対流が強まると 10-30 分という早いタイムスケールでプラズマ圏が小さくなる過程（ = Erosion ）に伴い夜側に明確なプラズマポーズが形成

→新たな知見

[Goldstein, 2005]南向き IMF に伴う Erosion とプラズマポーズの形成

Erosion プラズマポーズ形成

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未解決問題

別の視点からの撮像が必要

IMAGE/EUV の問題点：限定的な視点

極上空付近からの撮像（ = 赤道面投影）に限られる

→密度の緯度分布など子午面 2 次元構造を得ることができない

この点が原因で多くの未解決問題が残されている

●Finger 問題（→ Chapter 3 ）

　 Finger構造の要因は高密度プラズマで満たされた孤立した磁力管か？磁気圏内における定在波が引き起こした動径方向の粗密構造か？

●プラズマポーズ形成過程問題（→ Chapter 4 ）

　近年の観測結果と古典的プラズマポーズ形成過程の間に矛盾

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「かぐや」によるプラズマ圏撮像

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観測機器概要

• 直焦点望遠鏡• F値： 1.4• 重量： 1740g• サイズ： 120×120×235mm• 観測波長： 30.4nm （ He+ ） ,

83.4nm （ O+ ）

月周回衛星「かぐや」搭載

超高層大気プラズマイメージャ（ UPI ）

極端紫外光望遠鏡（ TEX ）

・可視光および極端紫外光望遠鏡の 2台

・ 2軸ジンバルを用いて地球を追尾

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観測手法

世界初となる赤道面付近からの地球プラズマ圏の撮像

プラズマ圏の子午面分布を取得可能

2008 年 3 月～ 6 月の 270周回分のデータを得られた

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初期観測結果 1: Erosion・ 2008 年 5 月 1日～ 2日

・擾乱時（ Kp = 5 ）

南向き IMF に伴い夜側プラズマポーズが内側へ移動する様子を捉えた

(a)

(b)

(c)

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初期観測結果 2: Corotation

・ 2008 年 6 月 1日～ 2日

・静穏時（ Kp < 3 ）

プラズマ圏の局所構造が共回転する様子を捉えた

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[Murakami et al., EPS, 2010]

・子午面局所構造の観測に成功

・局所構造が約 26 時間で一周（共回転遅延）

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本博士論文の意義・目的

・磁気圏プラズマに働く物理素過程を理解するにはまず背景場となるプラズマ圏の振る舞いを把握することが最も重要

・プラズマ圏のダイナミックな変動を捉えるには極端紫外光による撮像が有効

・ IMAGE/EUV による赤道面撮像によりプラズマ圏の理解は飛躍的に向上したが、観測の限界から多くの未解決問題が残されている

●TEX によるプラズマ圏子午面撮像の有効性を検証（第 2, 3章）

●TEXデータを用いて Finger 問題、プラズマポーズ形成過程問題について議論（第 3, 4 章）

●TEX における開発・観測の経験を活かし、次期プラズマ圏子午面撮像計画に向け新型多層膜反射鏡を開発（第 5 章）

世界初となるプラズマ圏の子午面撮像を行い、プラズマ圏の運動を支配する物理過程を理解する

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3. First sequential images of the plasmasphere from the meridian

perspective observed by KAGUYA

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IMAGE/EUV が捉えた“ Finger” 問題

筋状の高密度構造（ Finger ）・動径方向に 1-2 Re伸びた筋状の局所構造

・主に静穏時に観測される

・ 12 時間以上共回転

解釈 I. 高密度プラズマで満たされた磁力管

極から撮像すると動径方向に伸びた筋状構造に見える [Sandel et al., 2001]

[Sandel et al., 2001]

Refilling 問題に寄与

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密 密 密疎 疎

解釈 II. 定在波によるプラズマの疎密構造

・太陽風により内部磁気圏に定在波が引き起こされる

・定在波が作る電場との ExB ドリフトによりプラズマの疎密が動径方向に生じる [Adrian et al., 2004]

極方向からの撮像だけでは解決できず Finger の研究は停滞

[Adrian et al., 2004]

本研究の目的・ KAGUYA/TEX による世界初のプラズマ圏子午面撮像データを解析

　　　全データのうち解釈 I or II で提唱されるような構造の有無を調べる

・ TEX が捉えたループ状の局所的な像光現象（ Plasmaspheric filament ）と IMAGE/EUV が捉えた Finger構造を比較

　　　 Finger構造の要因を解明I. 高密度プラズマで満たされた孤立した磁力管

[Sandel et al., 2001]

II. 特定の LT における動径方向の高密度構造

[Adrian et al., 2004]

or

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“Plasmaspheric filament”ループ状の局所的な像光現象（ = “Plasmaspheric filament” ）が静穏時（ Kp<2 ）に 4例

子午面撮像を行う TEX により初めて観測された現象

L = 3.5, MLT = 7.3

密度： 5倍

形状が磁力管とよく一致

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磁力管の同定

Filament は孤立した磁力管に満たされた高密度プラズマが引き起こす像光現象

・ Filament が Flux tube に沿った構造か確かめる

・ MLT = 5-9, L = 2.5-4.5 の全磁力線に沿ってカウント数を積分（ -20<MLAT<+20 deg ）

MLT = 7.3, L = 3.7 でエラーバーを超える明らかなピーク

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Filament 内の密度

感度： 1.2 count/min/Rayleigh/bin背景プラズマ圏（ L=3.7 ）の視線距離～ 1.7 Re 、 Filament の視線距離～ 0.3 Re と仮定すると

背景プラズマ圏： 15 He+ ions/cm3

Filament 内と背景の差 : 42 He+ ions/cm3

～ 4倍高密度

0.25 count/min/bin

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Finger 現象との比較

  Fingers (IMAGE/EUV)

Filaments (KAGUYA/TEX)

Occurrence rate ~1 event / 10 days ~1 event / 8 days

Geomagnetic activity

Average Kp = 1.8 Kp < 2

Local time No dependence No dependence

L-value L = 2-4 L = 3.4-3.7

Azimuthal extent < 20 deg < 11 deg

Intensity enhancement

~25% ~35%

TEX は 2008 年 3 月～ 6 月の間に 4例の Filament 現象を観測

< 結論 > 本研究は Finger 現象が孤立した特定の磁力管が高密度プラズマで満たされる現象であったことを示唆している

・両者の特徴が一致→ Finger = Filament

・一方 Adrian et al. [2004] が主張する動径方向の高密度構造は断定できず（せいぜい 1例）

→Finger の発生頻度を考えても本結果はAdrian説に否定的

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Filament の成因Filament = Finger は特定の磁力管が高密度プラズマで満たされる現象

Filament （ or Finger ）現象は長らく停滞してきた Refilling 問題を観測から解決する新たな鍵

電離圏からプラズマ圏への充填：密度 n0 、温度 T0 に依存

電離圏における局所的な密度上昇 or加熱が成因？

何が周囲の磁力管と異なるのか？

解明にはプラズマ圏・電離圏の同時観測が必要

Refilling 問題への貢献

Filament の成因

Refilling を引き起こす物理過程

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第 3 章のまとめTEX は世界初のプラズマ圏子午面撮像に成功

●静穏時に特定の磁力管が周囲よりも高密度プラズマで満たされる現象（ Plasmaspheric filament ）を発見

→IMAGE/EUV で観測された Finger構造の正体が高密度プラズマで満たされた磁力管であることを明らかにした

●Filament 現象の成因解明には電離圏との同時観測が必要

→次期プラズマ圏撮像計画（ ISS/IMAP ）に期待（第 5 章）

●Filament （ =Finger ）現象は Refilling 問題解明に向けた新たな鍵

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4. The plasmapause formation seen from meridian perspective

observed by KAGUYA

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「古典的」プラズマポーズ形成論

地球

太陽

① 赤道面コンベクション

②①＋②①＋② 赤道面における磁力管の流れ

閉じた領域 ：

開いた領域 ：

電離圏から粒子が供給され続ける→高密度

磁気圏外部に流されてしまう→低密度

太陽風に引き起こされる、磁気圏内の大規模な流れ = 対流　( 変動 )

地球の自転に引きずられることによる、磁力管の流れ＝共回転　( 定常 ) ＋

①

②

[Nishida, 1966]

[Chappell et al., 1971]

プラズマ圏

プラズマポーズ

平衡状態の磁力管を仮定

→共回転・対流電場による赤道面上でのドリフト運動のみを考える

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観測結果との比較 1Model Observation

[Nishida, 1966] [Chappell et al., 1971]

観測結果と形状が一致

その場観測による平均的描像

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観測結果との比較 2

[Chappell et al., 1970]

対流電場弱強

人工衛星によるその場観測の統計結果

対流電場が発達

プラズマ圏が小さくなる

対流電場の変化に対する応答が観測結果と一致

プラズマポーズ形成論として確立

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矛盾 1 ：静穏時のプラズマ圏

静穏時にプラズマポーズをもたないプラズマ圏が多く観測されている　 [e.g., Tu et al., 2007]

IMAGE/RPI の観測結果

古典的形成論：静穏時にこそより明確なプラズマポーズが形成するはず

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矛盾 2 ：撮像観測が捉えたプラズマポーズの形成

[Murakami et al., 2007]

静穏時から急激に対流が強まると 10-30 分のタイムスケールでErosion に伴い夜側（ post midnight ）にプラズマポーズが形成

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・プラズマポーズは擾乱時（対流が強まった時）に夜側で形成する

・プラズマポーズ形成のタイムスケールは数十分

・静穏時にプラズマポーズを伴わないプラズマ圏が形成される

「古典的」プラズマポーズ形成論と観測結果との矛盾

近年の観測結果 形成論

古典的プラズマポーズ形成論だけでは近年の観測結果を説明できない　[e.g. Darrouzet et al., 2009]

対流および共回転による効果に加えて別の物理過程を考慮する必要がある

・定常状態が長時間続くとき（＝静穏時）にプラズマポーズが形成

・対流が強まってからプラズマポーズ形成まで時間がかかる（～ 24 時間）

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Zero Parallel Force Surface (ZPFS)

Zero Parallel Force Surface (ZPFS)

= 「重力」と「遠心力」の沿磁力線方向成分がつり合う境界面対流電場が強まると夜側（真夜中～朝方）では遠心力が増し Lc は

内側へ

2/cos/ 222 rmrmGMm

03/13/132 )3/2()3/2( LRGML Ec

重力 遠心力

5.78

L > Lc

→赤道面に Potential well

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対流：強 → ZPFS ：内 → L > Lc で赤道面に potential well → polar-wind-like flow → dynamic pressure ：減 → 圧力勾配：増 → プラズマの剥離　 (interchange)

ZPFS におけるプラズマポーズ形成

[Lemaire, 2001]

)(1 Bj

pgDt

Du

①ZPFS が通る L = Lc 上に新たなプラズマポーズが形成

② 赤道面付近から Erosion が進行

詳細なシミュレーションはまだなされていない

Lemaire [2001] が Interchange によるプラズマポーズの形成論を提案 Polar-wind-like flow

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IMAGE/EUV と Interchange modelの比較

IMAGE/EUV による画像と計算結果とでプラズマポーズの位置が一致しかし限られた視点からの観測だけでは決定的な証拠にはならな

かった

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本研究の目的

・平衡状態にある磁力管の赤道面におけるドリフト運動のみを考えた古典論では近年の観測結果を説明できない

・プラズマポーズの形成において Interchange を考慮に入れたモデルが提案されている

・ IMAGE/EUV による限られた視点からの観測だけでは解決できなかった

・ TEX が捉えた Erosion 時におけるプラズマ圏の子午面撮像結果を解析し、

　① Interchange model および TEX 観測によるプラズマポーズの位置

　② Erosion 前後におけるプラズマポーズ子午面分布の変化

　を調べ、プラズマポーズの形成を引き起こす物理過程を解明する

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Result 1 ：プラズマポーズの位置

1 May 2008

[Available at http://www.spaceweather.eu/plasmapause]

ZPF 面モデルによるプラズマポーズの位置の計算

・ ZPF 面が最も内側にくる～ 2 MLT付近でプラズマポーズが形成すると仮定

・ Kp依存電場モデルを使用

Event selection

・ 2008 年 5 月 1-2日の擾乱イベント（ Kp ～ 5 ）

・夜側プラズマポーズの内側への移動を確認（第 3 章）

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Result 1 ：プラズマポーズの位置夜側（～ 03 MLT ）におけるプラズマポーズの位置を比較

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Result 1 ：プラズマポーズの位置

夜側（～ 03 MLT ）においてプラズマポーズの位置が一致

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Result 2 ：プラズマポーズ形成時の子午面分布

TEX でしか得られない世界初の観測事実

・ Erosion前 (a) と比べ、 (b)(c) で赤道面近辺での光量が 30% 程度減少

・プラズマ圏は He II (30.4 nm) に関して光学的に薄い

→Erosion 時に赤道付近（ MLAT<20 deg ）の He+ コラム密度が減少

(a)(b)(c)

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Inner-trough

Discussion ：赤道面におけるHe+ コラム密度の減少

コラム密度の減少を引き起こす可能性：

　 A. プラズマ圏内における数密度 [ions/cc] の減少

　 B. 視線方向の積分距離の減少 z He

dzznI )(

A: プラズマ圏内（ L = 2-3 ）における低密度領域（“ Inner-trough” ）の存在

IMAGE/RPI の観測結果 [Fu et al., 2010]

TEX による観測結果だけでは確認できない

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Discussion ： THEMIS 衛星によるプラズマ圏電子密度推定

Inner-trough の典型的経度方向拡がり >20 deg [Carpenter et al., 2000]

→この期間に Inner-trough が発生していた可能性は低い

赤道面における電子密度を衛星ポテンシャルから推定

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Discussion ：赤道面付近からのプラズマポーズ形成

B: 赤道面付近からプラズマポーズが内側へ移動Carpenter and Anderson [1992] の経験的電子密度分布モデルをもとにコラム密度を計算

(a)

(b)

(c)

20%

観測

計算

（一時的に）赤道面から Erosion が起きているKAGUYA/UPI-TEX が捉えたプラズマポーズ形成時の子午面分布は Interchangeによるプラズマポーズ形成論と矛盾しない

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第 4 章のまとめ・従来の共回転および対流電場によるドリフト運動のみによるプラズマポーズ形成論では近年の観測結果を説明できない

・現在提案されている Interchangeモデルについて TEX の観測結果を用いて検証した

・ 2008 年 5 月 1-2日に TEX が観測したプラズマポーズの位置はInterchangeモデルによる計算結果と一致した（結果①）

・ Erosion 時に赤道面付近（ MLT < 20 deg ）だけのコラム密度が減少した（結果②）

→赤道面付近から Erosion が起きていることを示唆

・ TEX による観測結果は Interchange によるプラズマポーズ形成過程と矛盾しない

・根本的な解明には高感度撮像や夜側プラズマポーズ付近での out-flow の同時観測などが必要

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6. Concluding remarks●標準星（ EUV star ）を用いて TEX の較正を行い、空間分解能 0.25 Re 、視野 8.8×8.8 Re であることを確認した。またミッション期間中における検出器の暗電流および波高分布の経時変化がないことを確認した。（第 2 章）

●TEX が捉えた Erosion および Corotation の特徴は過去の IMAGE 衛星による観測結果と一致することを確認した。このことは TEX によるプラズマ圏子午面撮像の妥当性を示唆している。 （第 3 章）

●IMAGE/EUV により観測された Finger構造の正体が高密度プラズマで満たされた磁力管（ =Filament 現象）であることを明らかにした。この現象は電離圏起源である可能性が高く、電離圏からのプラズマ充填過程を解明する手がかりとなる。（第 3 章）

●TEX が観測したプラズマポーズの位置が Interchangeモデルによる予測と一致することを示した。また擾乱時における夜側プラズマポーズの形成（ Erosion ）が赤道面付近から引き起こされている観測事実を得た。これらの結果は Interchange によるプラズマポーズ形成論を支持している。（第 4 章）

●TEX の開発で得た知見を活かし、 ISS からの次期プラズマ圏子午面撮像計画に向けた新型多層膜反射鏡の開発を行った。 Y2O3/Al 多層膜反射鏡ならば従来よりも He I （ 58.4 nm ）の混入を 1/9 に抑えられることを確認した。また大気中での保管時にも反射率が変化しないことを確認した。（第 5 章）

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ありがとうございました