PPARCセミナー (2025/05/12)

PPARCセミナー (2025/05/12)

(1)

[Name]
Riku Kikuchi

[Title]
地球磁気圏のEMIC波: Arase衛星による偏波解析を用いたイオン組成導出の試み
EMIC Waves in the Magnetosphere: Attempts to Derive Ion Composition Using Polarization Analysis by the Arase Satellite

[Abstract]
Electromagnetic ion cyclotron (EMIC) 波は、温度異方性のある各種イオンにより励起される円偏波を持つ低周波電磁波動である。強度が強く十分なS/N比があるEMIC波を観測することにより、周辺プラズマのイオン組成を推定することが潜在的に可能である。これまでに、Akebono衛星やVan Allen Probes (VAP) 衛星により、各種イオンのEMIC波が観測され、イオン組成の推定に有益なモード変換イベントも報告されている [Matsuda et al., 2015; Miyoshi et al., 2019]。一方、Arase衛星におけるモード変換イベントの観測事例は、Miyoshi et al. (2019) のFig.2に示される一例のみに留まっており、イオン組成に関する詳細な議論は行われていない。本研究は、Arase衛星の磁場データを用いてEMIC波のより広範な観測事例を調べ、電離圏のトップサイドからプラズマ圏における低温イオンの組成分布とその変動を見出すことを目的として着手された。本解析は、「S/Nの良く、H+、He+、O+のサイクロトロン周波数を跨ぐ広帯域のEMIC波」を探索するべく、Arase衛星に搭載されているMGF (Magnetic Field Experiment) [Matsuoka et al., 2018] による64 Hz 3軸磁場波形データ（2017-現在: 地球に近い領域で継続取得）、及びWFC (Wave Form Capture) [Matsuda et al., 2018] による1,024 Hz波形データ（EMIC-Burstデータ: 2017-2018年10月の間欠的期間。サーチコイルによる磁場3軸波形データの存在期間）を用いる。本発表では、MGFデータに対するEMIC波イベントピックアッププログラム、及びそれによる選定イベントの地球半径、磁気地方時、磁気緯度依存性の統計解析結果を紹介する。また、WFCデータに対して偏波解析を行い、新たに発見されたモード変換イベントを紹介する。

Electromagnetic ion cyclotron (EMIC) waves are low-frequency, circularly polarized electromagnetic waves excited by anisotropic ion distributions. If the wave is sufficiently strong and the signal-to-noise (S/N) ratio is high, it is potentially possible to estimate the ion composition of the surrounding plasma. Previous observations by the Akebono satellite and Van Allen Probes (VAP) have identified EMIC waves associated with various ion species, as well as mode conversion events that are useful for estimating ion composition [Matsuda et al., 2015; Miyoshi et al., 2019]. However, only one mode conversion event has been reported by the Arase satellite [Miyoshi et al., 2019, Fig.2], and ion compositions have not been extensively discussed. This study aims to investigate EMIC waves more comprehensively using magnetic field data from the Arase satellite and to determine the distribution and dynamics of cold ion compositions from the topside ionosphere to the plasmasphere. In this study, we use 64 Hz triaxial magnetic field data from Magnetic Field Experiment (MGF) [Matsuoka et al., 2018] (collected continuously since 2017 near the Earth), and 1,024 Hz waveform data from Wave Form Capture (WFC) [Matsuda et al., 2018] (EMIC-Burst data: obtained intermittently from 2017 to October 2018, during periods when triaxial magnetic field waveform data from the search coil were available) onboard the Arase satellite. In this presentation, we will introduce the EMIC wave event identification program applied to the MGF data, along with the results of a statistical analysis examining the dependence of detected events on radial distance, magnetic local time, and magnetic latitude. Additionally, we will report newly identified mode conversion events based on polarization analysis of the WFC data.

(2)

[Name]
Naoko Takatori

[Title]
ハレアカラT60望遠鏡のファイバー面分光器を用いた水星Na外圏大気の時空間変動の観測
Observation of spatio-temporal variations in Mercury’s sodium exosphere using the Haleakala T60 telescope with the fiber-fed spectrograph

[Abstract]
水星はアルカリ金属を含む非常に希薄な外圏大気を有している。特に中性NaのD線（589.0nm, 589.6nm）による共鳴散乱発光は明るく、地上の中小口径望遠鏡でも観測可能である。地球磁気圏と比較して小さい水星磁気圏は、太陽風との相互作用により数分のオーダーで変動していると推定され、中性の外圏大気も同様の時間スケールで変動すると予想される。これまでの地上観測では、水星Na外圏大気に南北の両極にピークを示すダブルピーク（DP）発光が見られることがあり、南北輝度比は数十分のスケールで変化する。この時間スケールは、Na生成要因の１つが磁気圏由来のイオンスパッタリングによるとする場合のそれと一致しうる。
従来の地上望遠鏡観測では、スリット分光によって空間・時間変動が捉えられてきた。この手法で2次元空間分布を捉えるにはスリットの移動が必要で、水星全球の分光撮像観測には約1時間要する。従来観測されてきた数分オーダーの変動はスリット位置を固定した狭視野観測で得られたものであり、全球分布の変動観測には新たな手段が必要となる。
これまで東北大学60cm望遠鏡（T60）にファイバー面分光器と補償光学（Adaptive Optics）システムを結合させ、水星Na外圏大気の全球空間分布の変動を数分スケールで捉えることを目指した開発が進められてきた。私たちの目標は、2026年末のBepiColombo探査機の水星周回軌道投入後に、この探査機による外圏大気リモート観測および太陽風・磁気圏in-situ観測と協調した観測を行うことである。
今までに、2024年11月13日観測においてNa発光および表面反射光を2次元分布で表し、水星輝度分布モデル（Hapkeモデル）を表面反射光と比較することで、絶対発光強度の校正およびディスク位置を決定する解析スキーム構築が終了した。現在、これらの解析の複数日時の観測への適用を目指している。本セミナーでは、その進捗状況を発表する。

Mercury has a very thin exospheric atmosphere containing alkali metals. The resonant scattered emission from neutral Na D-lines (589.0 nm and 589.6 nm) is particularly bright and can be observed using small to medium aperture ground-based telescopes. Mercury’s magnetosphere, smaller than Earth’s, fluctuates on the order of a few minutes due to solar wind interactions, and the neutral exosphere is expected to vary on a similar timescale. Previous ground-based observations of Mercury’s Na exosphere have shown double-peak (DP) emissions at both poles, with the north-south brightness ratio fluctuating over tens of minutes. This timescale consistent with ion sputtering from the magnetosphere as a possible Na production source.
Conventional ground-based observations capture spatial and temporal variations using slit spectroscopy. This method requires slit movement to obtain the two-dimensional spatial distribution, taking about one hour for a global spectroscopic observation of Mercury. Variability on the order of a few minutes has been observed using a fixed slit position, but a new method is needed to capture global-scale fluctuations. We are developing a fiber surface spectrograph and an adaptive optics (AO) system for the Tohoku University 60 cm telescope (T60) to observe Mercury’s Na exosphere with a temporal resolution of a few minutes on a global scale. After the BepiColombo spacecraft enters Mercury’s orbit in late 2026, we aim to coordinate our observations with its remote sensing of the exosphere and in-situ measurements of the solar wind and magnetosphere.
As of the observation on November 13, 2024, the analysis framework for deriving two-dimensional distributions of Na emissions and surface-reflected light has been completed. This framework includes calibration of absolute emission intensity and determination of disk location by comparing Mercury’s luminosity distribution model (Hapke model) with surface reflections. We are currently working on extending this analysis framework to multiple observation dates. In this seminar, I will present the current progress of these efforts.