2024-09-27 電気通信大学
ポイント
＊地上カメラ、大型大気レーダー、および衛星によって点滅するオーロラ「脈動オーロラ」を同時に観測に成功
＊脈動オーロラが「斑状」のとき宇宙から降り注ぐ電子のエネルギーの増大を観測（観測１）
＊同時に、宇宙の波「コーラス波動」の地球近くまでの伝搬を観測（観測２）
＊地球近傍の宇宙空間における電子密度の特徴的な構造（ダクト構造）が、観測１と２の関係を支配していることを示唆
概要
電気通信大学大学院情報理工学研究科博士前期課程修了 伊藤ゆり氏（現 国立極地研究所 宙空圏研究グループ特任研究員 兼 総合研究大学院大学博士後期課程１年）、細川敬祐教授（情報・ネットワーク工学専攻）を中心とする研究グループは、ノルウェーのトロムソに設置されている全天型オーロラ撮像装置と、大型大気レーダーで観測されたオーロラや超高層大気の電子密度と、地球近傍の宇宙「磁気圏」で衛星観測された波動や電子のデータを比較することにより、点滅するオーロラ「脈動オーロラ」の形状、磁気圏から地球大気中に降り込んでオーロラ発光を引き起こす電子、および磁気圏における電子密度の管状構造「ダクト」の関係を明らかにしました。
最近の研究で、脈動オーロラの発生時には、地球大気中に降下してオーロラを光らせる電子のほかに、より高エネルギーの電子（相対論的電子）も降下して中間圏・上部成層圏のオゾン破壊を誘発することが示唆されています。本成果は、相対論的電子の宇宙空間における分布の可視化や地球大気中に降り込むメカニズムの解明につながることが期待されます。
背景
極域の夜を彩るオーロラは、地球近傍の宇宙空間に形成されている「磁気圏」から地球大気中に降り込んできた電子（降下電子）が地球大気中の窒素や酸素などの粒子と衝突することで発光します。「脈動オーロラ」の発光をつくり出す電子（脈動オーロラ電子）は一般的に10キロ電子ボルト（keV）程度のエネルギーを持っており、その多くは磁気圏の赤道面で発生する波「コーラス波動」によって散乱され宇宙空間から地球大気中に降下してきます。
最近の研究では、脈動オーロラが発生しているとき、脈動オーロラ電子よりも高いエネルギーを持った電子（相対論的電子）が同時に降下して、中間圏・上部成層圏のオゾン破壊を誘発していることが示唆されています。そのため、脈動オーロラの特性を理解することの重要性は高まっています。これまでに、脈動オーロラ電子のエネルギーが高まっているときに脈動オーロラの形状が斑状になるという観測例の報告がいくつかありました。また、コンピュータシミュレーションにより、脈動オーロラ電子のエネルギーが大きくなるためには、磁気圏を伝搬するコーラス波動が赤道面で発生した後に、地球に近い位置まで減衰せずに伝搬する必要があることが示唆されていました。しかし、それらの関係を支配する物理メカニズムを明らかにするために十分な条件を満たした、地上におけるオーロラ撮像装置と大気レーダー、および磁気圏における衛星の同時観測の事例がなく、観測的な解明には至っていませんでした。
手法
本研究では、脈動オーロラの形状と降下電子のエネルギーの関係を支配する物理メカニズムを明らかにするため、ノルウェーのトロムソに設置された全天型高速撮像カメラ、大型大気レーダー「EISCATレーダー」、および磁気圏を飛翔するジオスペース探査衛星「あらせ衛星」による脈動オーロラの同時観測が成立した2021年１月12日の事例を総合的に解析しました。
今後の期待
本研究では、地上と衛星の連携観測によって、脈動オーロラの形状、降下電子のエネルギー、および磁気圏のダクトの関係が観測的に明らかにされました。この結果は、脈動オーロラの形状を見ることでダクト構造の有無を把握することが可能になり、さらには宇宙天気予報の枠組みのなかで、磁気圏高エネルギー電子の生成・消滅プロセスを可視化することができることを示しています。しかし、これは一つの事例による解析であり、統計的な傾向は明らかになっていません。今後は、同様の事例を得るために、地上におけるオーロラ撮像装置とEISCATレーダー、および磁気圏におけるあらせ衛星による連携観測を継続して実施していく予定です。さらに、これまで得られてきた膨大なデータを利用し、脈動オーロラの斑状構造の特徴（くっきり度、大きさなど）、相対論的電子の降下、コーラス波動の地球近くまでの伝搬について、統計的な解析を進めていく予定です。
また、2025年以降には「EISCAT_3D」レーダーという世界最先端の大型大気レーダーシステムによる超高層大気の３次元観測が始まります。このEISCAT_3Dレーダーで得られる３次元データでは、これまで見ることができなかった脈動オーロラの発光が「ある」空間と「ない」空間における降下電子のエネルギーの違いを知ることができると考えています。さらに、衛星観測との同時観測を継続して行っていくことで、本研究で提案した物理メカニズムの理解が進み、相対論的電子の宇宙空間における分布の可視化やオゾン破壊への影響など宇宙天気予報に貢献していくことが期待されます。
最先端の大型大気レーダー「EISCAT_3D」。約１万本のアンテナが並び、超高層大気の３次元観測を実現する。（国立極地研究所 伊藤ゆり撮影）
（論文情報）
論文雑誌名：Journal of Geophysical Research: Space Physics
タイトル：On the factors controlling the relationship between type of pulsating aurora and energy of pulsating auroral electrons: Simultaneous observations by Arase satellite, ground-based all-sky imagers and EISCAT radar
著者：Y. Ito, K. Hosokawa, Y. Ogawa, Y. Miyoshi, F. Tsuchiya, M. Fukizawa, Y. Kasaba, Y. Kazama, S. Oyama, K. Murase, S. Nakamura, Y. Kasahara, S. Matsuda, S. Kasahara, T. Hori, S. Yokota, K. Keika, A. Matsuoka, M. Teramoto, and I. Shinohara
DOI：10.1029/2024JA032617
（外部資金情報）
本研究は、日本学術振興会科学研究費補助金（20H01955、20H01962、21H01146、21H04518、21KK0059、22H00173、22K21345、23K22554、23K25925、24K00687）の助成を受けて実施されました。
詳細はPDFでご確認ください。
