地球に降り込む高エネルギー電子を地磁気による磁気ミラー力が跳ね返す効果を観測的に実証

2025-11-06 総合研究大学院大学

総合研究大学院大学・国立極地研究所・東北大学の研究チームは、衛星ELFINとノルウェーEISCATレーダーの同時観測により、地球に降り込む高エネルギー電子が地磁気の「磁気ミラー力」により宇宙空間へ跳ね返される現象を世界で初めて観測的に実証した。シミュレーションでは、この反射効果が高度80kmの大気電子密度を約40%低減させることが判明。観測値も一致し、磁気ミラー力が実際の大気電離に大きく影響することを示した。本成果は、宇宙空間からの電子降下による大気変動モデルを改良し、オーロラ発光や宇宙線—大気相互作用の理解を深める基礎となる。

地球に降り込む高エネルギー電子を地磁気による磁気ミラー力が跳ね返す効果を観測的に実証図1:世界時2021年12月16日07時14分頃における電子密度高度分布の比較。黒はEISCATレーダーによる観測結果。赤と青はシミュレーション結果で、それぞれ磁気ミラー力を考慮した場合と考慮しなかった場合を示す。磁気ミラー力を取り入れることで高度80 kmにおける電子密度が約40%減少した。また、EISCATレーダーによる同時観測結果は、磁気ミラー力を考慮したものにより近かった。

<関連情報>

地磁気ミラー力と降下電子のピッチ角が極域上層大気の電離に与える影響 Effects of geomagnetic mirror force and pitch angles of precipitating electrons on ionization of the polar upper atmosphere

Tomotaka M. Tanaka, Yasunobu Ogawa, Yuto Katoh, Mizuki Fukizawa, Anton Artemyev, Vassilis Angelopoulos, Xiao-Jia Zhang, Yoshimasa Tanaka, and Akira Kadokura
Annales Geophysicae  Published:20 Oct 2025
DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-43-621-2025

Abstract

We studied the effects of the geomagnetic mirror force on electron density enhancements in the polar atmosphere due to energetic electron precipitation. Using the pitch angle and energy distribution of electrons observed by the low-altitude Electron Losses and Fields INvestigation (ELFIN) satellites as initial conditions, the electron density in the atmosphere caused by precipitating electrons was calculated using a simulation with two different methods: a traditional method that does not include the effect of the mirror force and a recently developed method that includes the effect. From a simultaneous observation event of the ELFIN satellite and the European Incoherent SCATter scientific radar system (EISCAT) Tromsø radar, it was found that the method with the effect of the mirror force reduces electron density by about 40 % at an altitude of 80 km compared to the traditional method. This decrease was pronounced when the pitch angle distribution of high-energy electrons was concentrated in the pitch angle range of the trapped component and near the loss cone. The maximum decrease was 50 %. For an event where the altitude profile of electron density was accurately determined from the EISCAT radar, the electron density profile estimated using the method with the effect of mirror force showed better agreement with the electron density profile derived from the EISCAT radar. The comparison between simulation results and the observation data contributes to the establishment and improvement of atmospheric ionization models using various types of precipitating electrons.

1702地球物理及び地球化学
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