Estimation of the radial diffusion coefficient of REE-associated ground Pc 5 in the radiation belt

1. Estimation of the radial diffusion coefficient of REE-associatedground 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. 200 Ba [nT] -200 0640 0635 0645 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 [Haraguchi et al, 2004]

3. Pc 5脈動 修士～博士課程における研究活動 博士論文 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 衛星電子 ◎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． 地上磁場 [Rostokeret al., 1998] 3ヵ月

4. 1.はじめに 放射線帯 ◎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． 外帯 (3.5Re～7Re) 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) 内帯(～2Re) 出典: http://svs.gsfc.nasa.gov/vis/a000000/a003000/a003052/index.html

5. 1.はじめに 放射線帯 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． 「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 8 電子フラックス大 増加 消失 6 L値 (地球中心から の規格距離) 外帯 4 電子フラックス小 2 内帯 0 Dstindex [nT] (磁気嵐指標) 磁気嵐の発生 -100 30 60 90 120 150 180 day of year, 1993 出典: [宇宙科学最前線 ＩＳＡＳニュースNo.302] 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？

6. 1.はじめに 放射線帯形成機構 電子の加速(外部供給と内部加速)と消失の競合過程 電離圏へ 消失 電子 内部加速 電子 磁気圏外へ 消失 外部供給 放射線帯 MeV電子の軌道 EMIC VLF 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 Pc5 動径方向への MeV電子輸送 プラズマシート [Reeves, 2007]

7. 1.はじめに 放射線帯粒子の輸送・加速機構 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 内部加速 電子 外部供給 可能性として: 内部 内部 外部 外部 or or or 外部供給 内部加速 地球 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． 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

8. 1.はじめに 放射線帯電子運動を決定する断熱不変量 磁力線 反射点 ② N L値 ③ バウンス (～ 1 sec) 地球中心から の規格距離 磁気圏Pc 5脈動が 電子の輸送を担う有力な候補 ① 電子 ドリフト (～103 sec) S [Modified Baumjohann and Treumann, 1997] 放射線帯電子 旋回軌跡 (～10-4 sec) 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

9. 1.はじめに 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． (位置a) (位置b) 断熱加速=磁気モーメントを保存 磁場 Ba Bb 断熱輸送 電子の輸送時: 電子 地球 プラズマシート

10. 1.はじめに 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 (Elkingtonet al.,[2004])

11. 1.はじめに 放射線帯電子と地上Pc 5脈動 非相対論電子異常増加時 相対論電子異常増加時 磁気嵐回復相開始時刻 地上Pc 5脈動の放射線帯電子増加との強い関連性

12. 1.はじめに ② ① ③ 先行地上観測研究からわかっていること ① ③ ② 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

13. 2.研究目的 外部供給に関する問題点 Pc 5 動径方向拡散モデル 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? ◎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 ◎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

14. 2.研究目的 外部供給過程の実証要件 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 位相空間密度の時間変化の直接観測 内部加速過程 外部供給過程 位相空間密度 位相空間密度 2 L 8 2 L 8 [Green et al, 2004] どのような特性のPc 5 脈動が 寄与しているか? f (μ, K, L)

15. 2.研究目的 動径方向拡散係数を用いた外部供給過程の検証 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(=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． 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. 3.解析 観測データ 多点地上磁場観測網 地上磁場 観測網 ACE衛星 GOES 衛星 • 磁場データ 南北成分 (地上H成分) 東西成分 (地上D成分) • 放射線帯MeV電子 GOES 衛星2MeV以上電子フラックス • 太陽風データ ACE 衛星 :太陽風速度，動圧， 惑星間空間磁場 • 磁気嵐指標 Dst指数 • 観測期間 2008年の磁気嵐 計12イベント

17. 3.解析 磁気嵐イベント選定 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. 3.事例解析 (March, 2008) 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 ~ コロナホール起源 高速風 地磁気活動度 磁気嵐規模 26, March 2008

19. 3.事例解析 (March, 2008) 磁気嵐時のPc 5脈動活動 主相 磁気嵐前 回復相 強 Pc 5 活 動 度 南北成分 ※Pc5脈動周波数帯 (1.67-6.67mHz)の パワースペクトル 積分値 東西成分 弱 電子フラックス Universal Time • 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

20. 3.統計解析 Pc 5脈動の周波数特性 Narrow-band or broad-band ULF wave? 狭帯域の条件: Q値 =Δf / fo << 1 h Δf h/2 fo FHCU(L=7.42) GLY(L=3.38) ←パワー スペクトル → 周波数 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．

21. 3.統計解析 Pc 5脈動の継続時間(1): 同定方法 (1) 脈動継続時間算出方法 (2)静穏時 Pc5脈動 Pc 5脈動活動 (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 nT2/mHz 半値幅 Δf ΔT Pc 5脈動活動 = (1)と(2)の差分 f1 f2 Pc 5脈動範囲 6.67 mHz 1.67 mHz ◎f1=1.67, f2=2.5mHzの場合: ノーマライズした パワースペクトル 積分値の時間変化

22. 3.統計解析 Pc 5脈動の継続時間(2): 結果 様々なスペクトル積分範囲 Pc 5脈動の継続時間の特徴 積分周波数範囲・緯度に 関係なく，2時間程度であった．

23. 3.統計解析 経度方向波数の空間分布 26 March 2008, 0900-1000UT ◎同定方法 (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 (2) ABK KEV 緯度 (3) 経度差 m ～ 1 経度 18.82 27.01

24. 3.統計解析 Pc 5脈動の経度方向波数の空間分布 ◎結果 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 南北成分 東西成分 ◎考察 局在化構造 (～200º) (～10º) 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 地方時が離れた2観測点のPc 5脈動は相関が悪い

25. 3.ここまでのまとめ REE発生時のPc 5 脈動の特性 REE-associated Pc 5 の特性 ・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． Pc 5 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． REE-associated Pc 5脈動に関する動径方向拡散係数の推定

26. 4. 動径方向拡散係数の推定 地上磁場から磁気圏赤道電場への投影 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 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 Bi (2) Ei (3) (1) Bg Eeq 磁力線 電離層

27. 4. 動径方向拡散係数の推定 地上磁場から磁気圏赤道電場への投影手法 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 観測点における 磁場観測データ 磁力線共鳴の空間幅(～400Km)

28. 4. 動径方向拡散係数の推定 動径方向拡散係数の評価 動径方向輸送モデル [Lyons and Schulz, 1989JGR] f は位相空間密度 動径方向拡散時間 ドリフト周期(時間) 加速に 効かない 対流時間 スケール 100 24 10 動径方向輸送 時間スケール 6 加速に効く 1 6時間以上 L値(地球地心距離) 0.1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 6時間以下 [Schultz and Lanzerotti, 1974]

29. 4. 動径方向拡散係数の推定　(事例解析) 投影磁気圏赤道電場に基づく拡散時間 例: 高緯度側 RABB(L=6.53) Pc 5: 2.97mHz →加速に効かない 対流時間スケール 磁気嵐 →加速に効く 動径方向輸送時間スケール 遅 電子フラックス 拡散時間 [hour] 速 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. 4. 動径方向拡散係数の推定　(統計解析) 動径方向拡散係数の緯度方向分布特性 Pc 5脈動(2.97mHz)の拡散時間 磁気嵐12イベントの統計解析結果 [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 ※Epoch Day = 0 : 回復相開始時刻

31. 4. 動径方向拡散係数の推定 結果 太陽方向 電子動径方向 拡散に効く 発生率 南北成分 東西成分 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

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