ブラジル磁気異常域における磁気急始(SC)の磁場波形の異常性について (Anomalous features of the waveform of geomagnetic sudden commencement (SC) in the South Atlantic Anomaly (SAA) region)

Presentation on theme: "ブラジル磁気異常域における磁気急始(SC)の磁場波形の異常性について (Anomalous features of the waveform of geomagnetic sudden commencement (SC) in the South Atlantic Anomaly (SAA) region)"— Presentation transcript:

1 ブラジル磁気異常域における磁気急始(SC)の磁場波形の異常性について (Anomalous features of the waveform of geomagnetic sudden commencement (SC) in the South Atlantic Anomaly (SAA) region) 新堀淳樹 生存圏研究所

2 1. はじめに 1.1 地磁気に関する基本事項 地磁気の要素 H：水平成分 D：偏角 Z：鉛直成分 F：全磁力 I：伏角
HDZ, XYZ あるいは FDI といった組み合わせがよく用いられる 磁気赤道付近における電離圏電気伝導度分布を調べる際に、この伏角が重要なパラメータとなり、地磁気座標系における磁気緯度の代わりによく伏角緯度(Dip Latitude)が用いられる

3 1. はじめに 1.2 南米磁気異常帯について 磁気図 × × 46000 nT × 23000 nT × 50000 nT
磁気赤道 × 23000 nT 65000 nT 30000 nT ×

4 1. はじめに 1.3 南米磁気異常帯の特徴 1. 周囲に比べて地磁気の全磁力が小さい
磁気赤道 × 1. 周囲に比べて地磁気の全磁力が小さい 2. 放射線帯内帯粒子が地球大気(電離圏)に降下する量が極端に多い 電離圏パラメータに影響 1. 太陽放射 　X線(D, E領域の形成) 　EUV(E, F領域の形成) 2. 高エネルギー粒子降下による電離 NOAA衛星で捉えた300 keV以上の電子フラックスの世界分布

5 1. はじめに 1.4 南米磁気異常帯(SAA)に着目した研究事例 ○高エネルギー電子の降り込みによる中性大気の電離効果
　(1) リオメータ観測[Abdu et al., 1973; Nishino et al., 2002] 磁気嵐主相と回復相時に銀河電波の吸収が増加 　　　　⇒高エネルギー電子降り込みによる電離圏D領域の異常電離 　(2) VLF電波観測[Abdu et al., 1981] 磁気嵐中にSAA領域においてVLF電波の反射高度の低下 　　　　⇒電子の降り込みによるD領域の異常電離効果 　(3) イオノゾンデ観測[Gledhill and Hoffman, 1981] 夜側におけるD、E領域の電離効果 　　　　⇒ keV電子の振込みを夜側で確認

6 1. はじめに 1.4 南米磁気異常帯(SAA)に着目した研究事例 ○地磁気変動の特異性 95 nT JIP 72 nT × SMS
Trivedi et al., JASTP, 2005 ○地磁気変動の特異性 95 nT JIP 72 nT × SMS 46 nT 25 nT GLAT GLONG 伏角 JIP -10.75 62.35 (W) 1.33 SMS -29.43 53.82 (W) -33.55 地磁気変動の振幅：JIP<SMS (夜側)

7 1. はじめに 1.4 南米磁気異常帯(SAA)に着目した研究事例 SMSとVSSにおける振幅のLT依存性
Trivedi et al., JASTP, 2005 SMSとVSSにおける振幅のLT依存性 振幅比(SMS/VSS)のLT依存性 ○基本的にday-nightの非対称が顕著(Russell et al., 1994の結果に類似) ○SAAの中心では、それ以外の領域と比べて振幅が大きい 　→高エネルギー粒子の降下による電離圏の電気伝導度の増大効果

8 1. はじめに 1.5 磁気急始(Sudden Commencement: SC) 静止軌道 地上 SC 太陽風 SCの発生要因
太陽風動圧の急増による磁気圏全体の圧縮 密度 [/cc] 速度 [km/sec] 静止軌道 地上 磁場 太陽風衝撃波 SC Araki [1994]

9 1. はじめに 1.6 磁気急始(SC)に着目する意義 SC現象の特徴 他の磁気擾乱現象(磁気嵐・サブストーム)と比べて孤立している
沖縄 10 nT/div 他の磁気擾乱現象(磁気嵐・サブストーム)と比べて孤立している →開始時刻や発生要因を見極め易い 2003/10/24 13　 14　 15　 16　 17　 18　 19 太陽地球結合系における電磁環境の急変に伴う状態遷移過程、およびプラズマの応答の理解に欠かせない ⇒定常でなく非定常現象を見るから面白い!! 　　Ex. 地震、津波、ゲリラ豪雨、雷、竜巻、成層圏突然昇温 　　　　 太陽フレア、日食、サブストーム、磁気嵐、破局

10 1. はじめに 1.7 磁気急始を利用した研究事例 1. 極-赤道における電場の瞬時応答[Araki, 1977, Kikuchi and Araki, 1979] 　　磁気圏と電離圏における電場の配位過程 2. 内部磁気圏ダイナミクス[Shinbori et al., 2004, 2006] 　　磁気圏対流の増大、プラズマ圏への対流電場の侵入 　　誘導電場の効果 3. リングカレント粒子変動と領域2電流系の変化[Nakano et al., 2009] 太陽風動圧の増大に伴って領域2電流系の強度が増加 4. 放射線帯内帯の形成過程[Wygant et al., 1994; Hudson et al., 1997] 　　SCに伴って放射線帯内帯が新たに形成=宇宙天気現象の理解に貢献 5. プラズマ波動の素過程 [Gail and Inan, 1990; Shinbori et al., 2003] 　　背景場の瞬時変化によるプラズマ加速、波動粒子相互作用の問題 →温度異方性(電子、イオン) 　　→ホイッスラー波、低域混成波、イオン波、地磁気脈動の発生、強度変調

11 1. はじめに 1.8 SCの磁場波形の磁気緯度と地方時の依存性 高緯度： 2つのパルス的な波形 低緯度： 階段状の波形
正午 上段：高緯度 中段：中・低緯度 下段：磁気赤道 正午の赤道と午後側の高緯度の磁場波形が類似 朝側 午後側 Araki [1994]

12 1. はじめに 1.8 SCの磁場波形の磁気緯度と地方時の依存性 上段：高緯度 中段：中・低緯度 下段：磁気赤道
DSC＝DL+DPpi+DPmi DL: Disturbance of Low latitude field DP: Disturbance of Polar field PI: Preliminary Impulse MI: Main Impulse DP=電離圏電流 Araki [1994] PI MI

13 1. はじめに 1.9 SCの物理過程 DL場 FAC (Field-Aligned Current)
IC (Ionospheric Current) 1. PI-phase (PI: Preliminary Impulse) 12 PI-FAC 18 06 00 [Stauning and Troshichev, 2008] Araki [1994] 圧縮性波動 アルフベン波に変換 FAC, ICの励起・発生 低緯度領域 高緯度領域 電離圏経由 DL場 DPpi場

14 1. はじめに 1.9 SCの物理過程 2. MI-phase (MI: Main Impulse) 磁気圏対流の急増
MI-FAC 2. MI-phase (MI: Main Impulse) PI-FAC Araki [1994] [Stauning and Troshichev, 2008] 磁気圏対流の急増 Region-1型のFACを駆動 ICの発生 低緯度領域 高緯度領域 電離圏経由 DPmi場 DPmi場

15 1. はじめに 1.10 PRI (Preliminary Reverse Impulse)の出現分布 PRIの出現緯度分布 PPI PRI
中緯度(FRD:49度) PPI PRI 70 % 低緯度(SJG:29度) PPI PRI 20 % Yamada et al. [1997] Matsushita [1962] 伏角緯度15度以上の低緯度では、PRIは出現しにくい(5/330) [e.g., Nagata, 1952; Matsushita, 1962; Araki, 1977; Kikuchi et al., 2001; Sastri et al., 2008]

16 1. はじめに 1.11 PRI/PPI (Preliminary Positive Impulse) の出現分布 50% PPI PRI
Araki et al. [1985]

17 1. はじめに 1.12 PRI/PPI の電流系 PI FAC 夜側 PPI MI 06 h ANC :JFAC :JHall
DHeEJ>0 2001/10/28 PI FAC 夜側 eEJ PPI MI DHFAC>0 06 h ANC DHFAC<0 1999/07/02 :JFAC :JHall :JPedersen 昼側 wEJ DHwEJ<0 PRI MI PRI：Preliminary Reverse Impulse PPI: Preliminary Positive Impulse PON

18 1. はじめに 1.13 これまでのPIに関する研究のまとめ
○PI期における磁場変動の継続時間は、1-2分程度であり、午前側の中緯度帯では、正のインパルス的な変動を示す。一方、午後側の中緯度帯では、負のインパルス的な変動を示す[e.g., Nagata, 1952; Araki, 1977, 1994; Kikuchi and Araki, 1985] ○PIの磁場変動は、磁気緯度の減少とともに小さくなり、低緯度では、ほとんど観測されなくなる[e.g., Matsushita, 1962] ○磁気緯度10度以下の昼間側の赤道域においても、午後側の中緯度で出現する磁場変動と同様の負のインパルス的な変動が再び出現する [e.g., Rastogi and Sastri, 1974; Araki, 1977] SAA領域の低緯度においてそれ以外の低緯度域でPRIの出現頻度分布やMIの振幅分布等に顕著な違いが出るか?

19 1. はじめに 1.14 本発表の主題 ○1996年から2008年まで高時間分解能(1 or 3秒)を持つNICT(NSWM [Kikuchi et al., 2008])と九州大学(CPMN [Yumoto and the CPMN group, 2001])磁力計ネットワークから得られた磁場データを用いて 1. 南米磁気異常の領域とそれ以外(太平洋)の領域とを比較して、　赤道域や低緯度におけるPRIやPPIの出現頻度や磁場振幅に関して顕著な違いがあるか? 2. その違いを生むとしたら、それを引き起こす要因は何か? 　について明らかにする

20 2. 観測データと解析手法 2.1 使用した地磁気観測点 PTK OKI PON 磁気赤道 SLZ CEB YAP EUS ANC SMA

21 2. 観測データと解析手法 2.2 観測データセット (1) 地磁気・指数データの提供元 OKI、YAP、SLZ⇒NICT
PON、CEB、ANC、EUS 　⇒九大CPMN SMA⇒NICT or CPMN 時間分解能：1 or 3秒 観測点 期間 SC数 PTK 97/10-08/09 2256 OKI 96/04-08/10 2028 YAP 98/09-08/01 1442 PON 97/03-04/05 1631 CEB 98/08-05/06 1599 ANC 96/01-06/10 2046 SLZ 96/04-07/07 1483 EUS 96/01-06/01 2104 SMA 98/04-08/09 1692 SYM-H指数⇒京大WDC 期間：1981/ /12 SCイベントの選定に利用

22 2. 観測データと解析手法 2.2 観測データセット SCイベントの同定 ※SYM-H指数において10分間で5nT以上の振幅を示す現象 AU
AL SC ASY-D ASY-H SYM-H 2004/07/22

23 3. SC時の磁場変動の特徴(太平洋地域) 3.1 事例解析(昼間側、赤道-低緯度) 2003年11月04日06:26:00 (UT)
PI： 1.1 nT MI: 44.1 nT MLT=UT+9 (h) OKI Dip: 38.0° PRI PI： 5.5 nT MI: 64.8 nT CEB Dip: 5.79° PRI PI： 5.6 nT MI: 77.3 nT YAP Dip: 2.94° 伏角緯度20度以上のOKIでPRIが出現 かなり振幅が小さい PRI

24 3. SC時の磁場変動の特徴(太平洋地域) 3.2 事例解析(午前側、赤道－低緯度) 1999年07月02日00:59:10 (UT)
PI： － MI: 15.7 nT MLT=UT+9 (h) OKI Dip: 38.0° PPI PI： 5.3 nT MI: 51.3 nT CEB Dip: 5.79° PRI PI： 10.1 nT MI: 84.6 nT YAP Dip: 2.94° 午前側のOKIでPPIが赤道にPRIに同期して出現 振幅は、かなり小さい PRI

25 3. SC時の磁場変動の特徴(太平洋地域) 3.3 統計解析(赤道と低緯度との比較) 出現数が赤道域よりも小さくなり、その分布は異なる顔つき
(1) PON (Dip: 1.04度) (2) OKI (Dip: 37.97度)

26 4. SC時の磁場変動の特徴(SAA地域) 4.1 統計解析(赤道と低緯度との比較) 2001年10月21日16:47:55 (UT)
PI： 64.7 nT MI: nT MLT=UT-4 (h) ANC Dip:1.43° PRI PI： 12.8 nT MI: 91.6 nT EUS Dip:-11.99° PRI PI： 24.8 nT MI: nT SMA Dip:-34.53° PRI 伏角緯度20度以上のSMAでPRIが出現

27 4. SC時の磁場変動の特徴(SAA地域) 4.2 事例解析(夜側、赤道-低緯度) 2003年11月04日06:26:00 (UT)
PI：－ MI: 39.8 nT MLT=UT-4 (h) SLZ Dip:-2.63° PPI PI： － MI: 38.2 nT EUS Dip:-11.99° PPI PI： (4.2 nT) MI: 59.0 nT SMA Dip:-34.53° PPI 夜側低緯度のSMAでPPIが出現

28 4. SC時の磁場変動の特徴(SAA地域) 4.3 統計解析(赤道と低緯度の比較) 出現頻度はやや異なるが赤道域とほぼ同じ顔つき
(1) ANC (Dip: 1.43度) (2) SMA (Dip: 度)

29 5. SC時の磁場変動の比較(Pacific - SAA)
左：太平洋地域 右：南米地域 PON 1.01o ANC 1.43o PRI：昼間側で卓越 PPI：夜側で卓越 YAP 3.29o SLZ -2.96o ○OKIとSMAで出現頻度が異なる 　 OKI：40% (12 h) 　 SMA：80% (12 h) GAM 12.42o EUS -11.99o OKI 37.97o SMA -34.35o

30 5. SC時の磁場変動の比較(Pacific - SAA)
5.2 PRI振幅の地方時分布(太平洋とSAA地域の比較) (a) 磁気赤道域 (b) 低緯度領域 [赤道域] ○午前10時頃で最大 ○PON/ANC~1.0 [低緯度域] ○正午付近で最大 ○SMA/OKI~3.0 (12 h MLT)

31 5. SC時の磁場変動の比較(Pacific - SAA)
5.3 統計解析結果のまとめ ○磁気赤道域におけるPRIは、昼間側の領域(6-18時)において80％以上の確率を持って出現する傾向にあり、正午付近においてその確率が最大となる(PONでは、100%) 　　逆に、夜側(18-06時)では、80%以上の確率を持ってPPIが出現する傾向にある ○昼間側(6-18時)の低緯度領域においてもPRIが20-40%の確率をもって出現し、正午付近で最大となる(OKIでは、40%)。さらに、午前側(6-10時)付近では、PPIの出現確率が高くなる 　　一方、ブラジル磁気異常帯の真中心に位置するSMAでは、OKIと比べて、PRIおよびPPIの出現確率が2-3倍高くなる ○PRIおよびPPIの出現確率は、伏角緯度の増加とともに減少する傾向にある

32 6. 考察 6.1 これまでの研究結果との比較 PRIの出現緯度分布 SC擾乱の詳細な特性
Araki [1977] Matsushita [1962] 高緯度と昼間側の赤道域で卓越し、磁気緯度20度付近でほぼゼロ

33 6. 考察 6.1 これまでの研究結果との比較 Dip: 37.97° Dip: ° これまでほとんど観測されないとされていた低緯度のPRI現象が、低緯度のOKIで観測され、その出現頻度は、SMAで2-3倍に増加する ⇒今まで構築された概念を上方修正(ほぼゼロ⇒20-40%の確率で出現) [要因] 1. 磁力計の感度の上昇、データのデジタル化(OKIでのPRI) 2. ブラジル磁気異常帯における高い電離圏伝導度(SMAでのPRI)

34 6. 考察 6.2 通常の低緯度でPRI現象が同定できた主な理由 1. 記録媒体の変化 デジタルデータでなく、アナログデータであった点
振幅等は、ノギスで測定 ⇒自由自在に短時間にグラフ等を拡大できない 2. 磁力計の感度の上昇 　　小さな振幅の現象も容易に測定可能 1959年2月22日01:45（UT)に発生したSCの磁場波形の早回し地磁気記録 (ラピッドランマグネトグラム) [Araki, 1977]

35 6. 考察 6.3 電気伝導度の基本事項 ○電離圏電気伝導度の種類と薄層近似伝導度 電離圏伝導度の表式 薄層近似での伝導度
3次元の電離圏から2次元(薄層)の電離圏における伝導度には、以下の仮定を課している 鉛直方向の電流成分は完全にゼロ(Jz=0)

36 6. 考察 6.3 電気伝導度の基本事項 極域(I=90度) 赤道域(I=0度)
赤道域では、非対角成分の伝導度がゼロとなり、東西方向の伝導度がCowling伝導度になる 極域では、非対角成分がHall伝導度に一致する

37 6. 考察 6.4 電気伝導度の積分範囲の決定 赤道ジェット電流の高度幅：95-125 km (Jf>1.0 mA/m2)
Forbos, 1981 赤道ジェット電流の高度幅： km (Jf>1.0 mA/m2) =通常の電離圏電流(ダイナモ)層と呼ばれる領域に相当している ⇒電流を主に担っている層(ダイナモ層)を同定し、その領域のみで高度積分を実行していく方法で2次元の電気伝導度を求める

38 6. 考察 6.4 電気伝導度の積分範囲の決定 電流(ダイナモ)層領域( km)は、O+、NO+、O2+の3種のイオンが主となっている。 ⇒各イオン種の寄与を考慮する必要がある PON(7.00, , LT=12 h) 以下の式にしたがって、密度で重みをかけた平均値を使用する。 IRI-2012 NRLMSISE-00 密度の単位: [/cc]

39 6. 考察 6.4 電気伝導度の積分範囲の決定 PON 電流(ダイナモ)層領域( km)は、O+、NO+、O2+の3種のイオンが主となっている。 ⇒各イオン種の寄与を考慮する必要がある ANC 電流層： km 電流層： km PON(7.00, , LT=12 h) 以下の式にしたがって、密度で重みをかけた平均値を使用する。 OKI SMA IRI-2012 NRLMSISE-00 電流層: km 電流層: km 密度の単位: [/cc]

40 6. 考察 6.3 SAA領域における電気伝導度の考察 × × 46000 nT × 23000 nT × 磁気赤道

41 6. 考察 6.4 SAA領域における電気伝導度の考察 磁場強度：44208 nT (沖縄)、23408 nT (サンタマリア)
σp = 0.20 σH = 0.40 σp = 0.06 σH = 0.24 磁場強度：44208 nT (沖縄)、23408 nT (サンタマリア) →サンタマリアでのサイクロトロン周波数が沖縄に比べて約2倍小さい ペダーセン/ホール伝導度: 沖縄に比べて約3/1.7倍大きい ⇒磁場強度が弱くなると、伝導度が大きくなる

42 6. 考察 6.4 SAA領域における電気伝導度の考察 × × × × × × × × 左上図：全磁力の世界分布
左上図：全磁力の世界分布 左下図： Syy成分の世界分布 × × 磁場の強弱によって伝導度の値が変化 磁場強度：減小、伝導度：増加 磁場強度：増加、伝導度：減少 × × × × Geographic latitude [degree] Geographic latitude [degree] × × Geographic longitude [degree] Geographic longitude [degree] IGRF磁場モデル ダイポール磁場モデル

43 6. 考察 6.5 電離圏電気伝導度(Sff:Cowling成分)とPRIの振幅比 × × × × × × × ×
OKI × SMA × × × 昼間側(06-18 h MLT)におけるPRIの振幅比(SMA/OKI)と電離圏電気伝導度の比(SMA/OKI) Geographic latitude [degree] × × Geographic longitude [degree] PRIの振幅比は電離圏電気伝導度の比で決まる IGRF磁場モデル

44 7. まとめ 目的1 南米磁気異常の領域とそれ以外(太平洋)の領域とを比較して、　赤道域や低緯度におけるPRIやPPIの出現頻度や磁場振幅に関して顕著な違いがあるか? 結論1 南米磁気異常領域では、低緯度にも関わらず、PRI/PPIの出現頻度が、太平洋地域と比べて約2-3倍ほど高く、ほぼ磁気赤道域のものに匹敵する。また、その正午の振幅は、太平洋地域に比べて約3倍程度大きくなっている。 目的2 その違いを生むとしたら、それを引き起こす要因は何か? 結論2 南米磁気異常領域における電離圏電気伝導度の増加である。 ⇒背景磁場強度の減少がPedersen,　Hall伝導度の増加をもたらす。

45 7. まとめ 1. 本研究で得られた科学的意義・インパクト 1. 低緯度におけるSC-PRI(PPI)波形の検出
2. 磁場強度の非一様性による電離圏電気伝導度分布の経度・緯度依存性 これまで用いられてきた磁気圏‐電離圏結合モデル[Tsunomura and Araki, 1984]には、ダイポール磁場を採用したものが多く、より現実的な電離 圏電気伝導度分布による電流・電場分布は想像の域を超えていない。も し、こうしたモデルを作ることができれば、背景磁場の強い空間依存性 による内部磁気圏・プラズマ圏ダイナミクスに新たな知見をもたらすと 考えられる。

46 7. まとめ × × × × 2. 発展的な内容 [地球物理] 1. 赤道ジェット電流の経度依存性
　　脈動(Pc 5, Pi 2)、DP 2変動やSq変化の振幅に経度依存性が存在 2. R-2電流系起源とする電場(遮蔽・過遮蔽)の経度依存性 　　磁気圏電場の磁気経度依存性 3. オーロラジェット電流の経度依存性 × × × × MOK LKW YAP TIR ANC SLZ [太陽物理] 1. 彩層領域の磁力線垂直方向のエネルギー輸送 　 黒点付近では、彩層領域の伝導度が極端に小さくなることが予想 PRM CRI ILR AAE DAV PON BCL 2001/09/23 赤道Cowling伝導度の経度依存性

47 8. Announcement 1. IUGONET中間報告会、およびデータ解析講習会 〇場所：国立極地研究所
8月20日(データ解析講習会) ○参加申し込み：7月1日〜8月1日 ■データ解析講習会プログラム 　(3階セミナー室（C301）） 入門編 10:00-10:30 TDAS、UDASのインストールとセットアップなど 田中良昌(極地研） 10:30-11:10 GUIによる操作１（ロード、プロット、画像ファイル出力等） 谷田貝（極地研） 11:10-11:20 休憩 11:20-12:00 GUIによる操作２（データ解析、軸やラベルの変更方法等） 堀智昭(名大STE研) 12:00-13:00 昼休み 13:00-13:30 IUGONETメタデータ・データベースの使い方 梅村宜生(名大STE研) 13:30-14:10 時系列データ解析（地磁気） コマンド入力操作１（ロード、プロット、画像ファイル出力）八木学(東北大) 14:10-14:20 休憩 14:20-15:00 時系列データ解析（地磁気） コマンド入力操作２（データ変換、データ解析等） 新堀淳樹(京大RISH) 15:00-15:10 休憩 中級編 15:10-15:50 2次元データ解析（GUI） 田中良昌(極地研) 15:50-16:40 2次元データ解析（EISCATレーダー、オーロラ画像、電離層電流等） 田中良昌(極地研) 16:40-17:00 総合討論

48 8. Announcement 2. SGEPSS秋学会 〇場所：信州大 ○日時：10月31日〜11月3日
○予稿申し込み：7月1日〜8月8日17時 ■宇宙天気・宇宙気候セッション コンビーナ： 新堀淳樹 （京都大学生存圏研究所） 齊藤慎司 （名古屋大学理学研究科） 阿部修司 （九州大学国際宇宙天気科学・教育センター） 陣英克 （情報通信研究機構） 内容： 太陽から地球・惑星大気、また太陽圏全体に至る幅広い領域について、長期変動（宇宙気候）および短期変動（宇宙天気）に関する講演を募集する。宇宙天気分野では、地球周辺の宇宙環境変動に伴う人工衛星やスペースデブリ、地磁気誘導電流、通信、衛星測位への影響など、宇宙天気による人間活動への影響という視点での発表を推奨する。また、宇宙天気の概況把握や予報・予測に繋がる基礎的研究、観測手法、予報システム、モデル提案などの萌芽的研究･開発進捗等の発表も歓迎する。宇宙気候分野では、過去数百年以上にわたる太陽、地磁気、宇宙線のような多種多様な長期データを活用した太陽地球結合系変動に関する分野横断型研究発表も幅広く受け入れる。なお、今年度の本セッションでは、宇宙環境変動による人工衛星への影響について、チュートリアル講演を予定している。