極冠域電離圏における低エネルギー降下電子の起源について

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1 極冠域電離圏における低エネルギー降下電子の起源について
2011年6月1日（水） SPTセミナー　15時～ 極冠域電離圏における低エネルギー降下電子の起源について On the origin of low-energy downward electrons in the polar cap ionosphere *北野谷有吾[1]、阿部琢美[2]、向井利典[2] [1]東京大学大学院 理学系研究科 地球惑星科学専攻 [2]ISAS/JAXA

2 Fig. Ion up-flow (Polar wind)
Background1: Ion up-flow in the polar cap Potential [V] Ion velocity [km/s] H+ O+ Altitude RE [km] Fig. Ion up-flow (Polar wind) Fig. Simulation of ion velocity and electric potential altitude profile on dayside during solar activity [Su et al.,1998] - + E O+ e- ・圧力勾配に拡散の際、O+と電子との質量差から、分極電場が発生し、軽いH+などのイオンが上向きの加速を受ける。 ・H+=～20km/s, O+=～5km/s at ALT 2RE ・高度2RE以上では、顕著なイオンの加速が見られない。 Fig. 分極電場

3 Background2： Ion outflow in the polar cap
・H+=～45km/s, O+=～27km/s（平均） at 8 RE by POLAR衛星 ・極冠域の昼側において、低エネルギーの降下電子(≒10-60eV)を観測（anomalousな結果） by ISIS-1,DE-2, Akebono衛星 ・電離圏起源の光電子(≒10-60eV)が、極冠域の高高度に存在するthe potential barrierにより下向きに加速を受け、低エネルギーの降下電子（ ≒10-60eV）を生成？ ※電子 → 下向きに加速、イオン → 上向きに加速 Fig. The potential barrier in the high-altitude polar cap [Su et al.,1998]

4 Objectives： 極冠域高高度における加速メカニズムの解明
・Akebono衛星の低エネルギー降下電子の長期間の観測データ ↓ ・統計解析から、極冠域高高度に存在する示唆されるthe potential barrierについて詳細な理解 ・極冠域高高度における加速メカニズムの解明 磁気圏 Altitude Ion outflow The potential barrier Ion 2RE ※The potential barrierの発生案： 流出する光電子 → 電離圏が正に帯電 → 降下する光電子 [Winningham and Gurgiolo, 1982] Photoelectron (～10-60eV) 電離圏 － Potential [V] Photoelectron ≒ 109 [/cm2s] Polar wind ≒ 108 [/cm2s] Polar rain = [/cm2s] Fig. 極冠域のポテンシャルの高度分布案

5 Fig. Akebono (EXOS-D) Satellite
Using observation data： Akebono satellite 打ち上げ目的：オーロラに関連した磁気圏の物理現象の解明 打ち上げ日：　1989年2月 運用期間：　現在も運用中 衛星軌道：　極軌道、1日に地球を約8周 搭載測定器： 　（1）　3軸フラックスゲート磁力計 (MGF) 　（2）　電場計測器 (EFD) 　（3）　低エネルギー荷電粒子分析器 (LEP) 　（4）　熱的および非熱的イオン分析器 (SMS) 　（5）　熱的電子検出器 (TED) 　（6）　VLF波動受信機 (VLF) 　（7）　HF波動受信機および 　　　　　　トップサイド・サウンダー (PWS) 　（8）　可視・紫外オーロラ撮像カメラ (ATV) Fig. Akebono (EXOS-D) Satellite LEP (Low Energy Particle) 　→　電子・イオンのエネルギー別（in 10-10keV）、ピッチ角別のカウント 　→　特に低エネルギー降下電子（≒10-60eV）に注目（1989年3月～1997年12月）

6 Fig. Akebono observations in the polar cap
Observations1： Low energy downward electron 1990/1/30 19:46-20:20 North-Hemisphere MLT 12h 6h 18h Second Harmonic Current (Thermal Electron energy Distribution) 80° Probe Bias [eV] 70° 0h MLAT 熱的電子（数eV以下） Fig. Akebono orbit Downward Electron ① ②←研究対象 Energy [eV] Upward Electron (Photoelectron) Dayside Nightside Fig. Akebono observations in the polar cap ・領域②：一般的な極冠域では、低エネルギーの降下電子が観測される。 ・領域①：極冠域に侵入したSED/TOI（プラズマ圏からのプラズマ輸送）内では、一般的な極冠域に比べ、プラズマ密度が大きく、低温など特殊な環境下であり、また低エネルギーの降下電子の量は小さい。 ※The potential barrierの大きさが何か（プラズマ環境）に依存して変化すると考えられる。

7 Fig. Electron energy distribution of each pitch-angle by Akebono
Observations2： Low energy downward electron 1990/1/30 19:46-20:20 North-Hemisphere Upward (Photoelectron) ① ② 一般的な極冠域 研究対象 Pitch Angle [°] Energy [eV] Downward Fig. Electron energy distribution of each pitch-angle by Akebono ②より、 ・低エネルギー降下電子は、光電子と異なり、より低エネルギーに分布を持つ。 ・The potential barrierの大きさは、30eV付近と示唆できる。

8 Fig. Up photoelectron .vs. Down low energy electron by Akebono
統計解析1： Up光電子と低エネルギーDown電子との相関 ※低エネルギーの降下電子の起源は、 電離圏からの光電子？ ・観測データの条件：1990年, ILAT>80, ALT km Event Count = 3934 (☆) (☆)の領域に、プロットがない。 →低エネルギー降下電子は、Up光電子の量を上回らない。 つまり、低エネルギーの降下電子は、磁気圏起源ではなく、Up光電子が起源である可能性を示唆。 Down(13-60eV) ×106[/cm2s] Up(13-60eV) ×106[/cm2s] Fig. Up photoelectron .vs. Down low energy electron by Akebono

9 観測統計2： Up光電子に対する低エネルギーDown電子の割合の観測頻度
・観測データの条件：1990年, ILAT>80, SZA<90, ALT km Event Count=1484 Event Count=1040 Kp≦2 Polar rain時 Event Count=662 Event Count=1484 Kp≧4 Kp≦2 Observation Fraction [%] DOWN/UP(13-60eV) [%] DOWN/UP(13-60eV) [%] Fig. Observation fraction of low energy downward electron ratio ・ Up光電子に対する低エネルギー降下電子の割合は幅広く分布している。 　　(i) 静穏時（Kp≦2）：約60-100% 　　(ii) 擾乱時（Kp≧4）：約40-80%　←　SED/TOIによるプラズマ環境の変化が原因？ 　　(iii) Polar Rain時：約80-100%　←　高エネルギー降下電子によるプラズマ環境の変化が原因？ ・極冠域高高度に存在する？ The potential barrierの大きさが何かに依存し、大きく変化していると示唆。

10 [A] [B] Polar Rain ☆1. 高エネルギー降下電子に対する低エネルギー降下電子の割合の変化 [A] Polar Rainなし
・観測データの条件：1990年, ILAT>80, SZA<90, ALT km [A] Polar Rainなし 36,47,60eV ×106 ×106 UP DOWN Polar Rain [B] Polar Rainあり [A] [B] ×106 ×106 ・高エネルギーの降下電子が極冠域に降り込むとき、なんらかのメカニズムが働き（プラズマ環境の変化？）、the potential barrierの大きさが増加していることを示唆。

11 [1] [2] [1] [2] UP 13eV DOWN 28eV 47eV ☆2. Up光電子に対する低エネルギーDown電子の割合の変化
・観測データの条件：1990年, ILAT>80, SZA<90 13eV 28eV 47eV [1] [2] [1] UP DOWN [2] ・低エネルギー降下電子が減少するにつれて、エネルギーの高いほうの低エネルギーの降下電子から減っている。 ※低エネルギー降下電子の割合は、the potential barrierの大きさを反映していると示唆。

12 Summary and future works
・極冠域（高度10000km以下）において、Up光電子起源と考えられる低エネルギー降下電子が観測されている。 by Akebono（ISIS-1,DE-2と同じ結果） ○低エネルギー降下電子のFlux量は、 　　1.　極冠域に、一般的に存在する。 　　2.　平均的には、Up光電子のFlux量の約80%。 　　3.　磁気圏起源ではないと示唆。 　　4.　そのFlux量は、ポテンシャルの壁の大きさを反映していると示唆。 ○また低エネルギー降下電子の特徴から、 　　5.　ポテンシャルの壁の大きさは、平均的に約20-30eV。 　　6.　地磁気活動活発時、高密度時に、ポテンシャルが減少（≦約10eV） 　　7.　高エネルギー降下電子の観測時に、ポテンシャルが増加（≧約50eV） ※the potential barrierの存在を示唆 ※the potential barrierは、極冠域のプラズマ環境に依存していることを示唆。 ☆統計的な観測事実から、極冠域の高高度に存在すると示唆されるthe potential barrierのメカニズムについて、さらなる解釈を試みる。

13 2. 観測事実を再現するモデルの作成と考察 （7,8月）
Future works 36,47,60eV ※The potential barrierの発生案： 流出する光電子 → 電離圏が正に帯電 → 降下する光電子 [Winningham and Gurgiolo, 1982] Polar Rain 過去の研究と逆相関な結果 磁気圏のhot plasma／電離圏のcold plasma = 強い電場を生成？？ 1. 観測事実を再現する理論を調査　（6,7月） 2. 観測事実を再現するモデルの作成と考察　（7,8月）