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Planetary Plasma and Atmospheric Research Center (PPARC)
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Earth

We observe auroral emissions from both space and ground, and combine them with satellites and ground-based radar to promote a comprehensive understanding of auroral physics.
Certain types of auroras are of interest because of the very high energy precipitating electrons that affect the middle atmosphere. We launched the LAMP rocket in 2022, the first in the world to successfully observe these phenomena simultaneously. We also plan to launch the LAMP-2 rocket.
On the other hand, the high-latitude polar cap region, which is directly affected by the solar wind, is attracting attention from the perspective of space weather. We have developed 10 all-sky cameras and constructed an observation network that covers a wide area over the Antarctic Continent.

‘Geospace’ is the space around the Earth that consist of plasma (charged particles) originating from the Earth’s atmosphere and the solar wind. The electromagnetic waves propagating in the plasma are called ‘plasma waves’. In space, collisions between particles rarely occur, but the motion of particles is scattered by ‘collisions’ between plasma waves and charged particles. As a result, the enegetic particles precipiatte into the Earth’s atmosphere and cause polar auroras and affect the composition in the upper atmosphere. Therefore, studying the generation and propagation of plasma waves is important topic for understanding the connection between space and the Earth’s atmosphere. Using observations of plasma waves by the Arase satellite and groundbased aurora observations, we are investigating how plasma waves propagate through geospace and scatter enegetic charged particles, and studying the effects of space on the Earth’s atmosphere.

“Have you heard that “Earth is like a giant magnet”? This magnet creates a vast region called the magnetosphere, which acts like a protective shield from the stream of charged particles known as the solar wind.

I study what’s going on inside this magnetosphere—especially what kinds of ions (electrically charged particles) are there, where they are, and how many of them exist by analyzing lectromagnetic ion cyclotron (EMIC) waves. Right now, I’m working with data from the Arase satellite to try to uncover the types and ratios of ions present in the magnetosphere.

This could also help us study other planets. For example, BepiColombo is scheduled to arrive at Mercury in 2026, and JUICE will begin orbiting Jupiter in 2031. By applying this method, we hope to open new ways to explore planetary magnetic fields and plasma environments across the solar system.”

Auroral Kilometric Radiation (AKR), a type of auroral radio emission from Earth, is closely associated with various phenomena and structures in the Earth’s magnetosphere. It serves as a valuable barometer for understanding the state and dynamics of the magnetosphere.

However, long-term statistical studies of AKR—particularly those focusing on its correlation with solar activity—have been limited.

In this study, I aim to conduct a long-term statistical analysis of AKR using data from the Geotail satellite, which has observed the Earth’s magnetosphere for nearly 30 years.

By clarifying the occurrence characteristics and temporal variations of AKR, I hope to contribute to a deeper understanding of the Earth’s magnetospheric environment.

Since 2017 the Arase satellite has been investigating electron number density and temperature in the near-Earth environment. Electron density is derived from the upper-hybrid resonance (UHR) frequency recorded by the onboard electric-field antennas, yet this technique tends to underestimate density in low-density regions. To address the bias, we integrated satellite potential, in-situ particle measurements, and solar UV flux, and compared the resulting data set for 2017–2022. The analysis shows that, under geomagnetically quiet conditions, satellite potential and electron density exhibit a clear proportional relationship, with an additional dependence on electron temperature. These findings reduce measurement uncertainties and will enhance the accuracy of plasma observations by BepiColombo/MMO, scheduled to explore Mercury in 2026.

「あらせ」は、宇宙航空研究開発機構(JAXA)が開発した地球周辺の宇宙空間「ジオスペース」を探査する衛星です。2016年12月に打ち上げられ、地球の周りに高エネルギー粒子が存在する領域「放射線帯(バンアレン帯)」や放射線粒子の生成と消失に関与する電磁波、プラズマを観測しています。放射線帯は人工衛星をはじめとした宇宙空間での人類活動に悪影響を与える可能性があるため、「あらせ」は宇宙空間における高エネルギー粒子の生成過程を調べるとともに、宇宙環境を予測する宇宙天気研究を進めることも目的としています。

東北大学はプラズマ波動・電場観測器(PWE)の開発と、「あらせ」と連携してオーロラや電磁波を観測する地上観測ネットワークの構築に関わりました。クレジット:JAXA

宇宙科学研究所 あらせプロジェクトページ
名古屋大学ERGサイエンスセンター

FACTORSは地球の極域数千kmを2つの衛星で編隊飛行する計画です。

この領域の宇宙環境は、オーロラの微細で複雑な形状に表されるような領域間結合が多様な時間・空間スケールで発現し、宇宙空間物質の加速と輸送、それらに関わる波動の励起・伝搬、電場と電流構造が形成され、相互作用していることです。これらは、磁場を持つ惑星圏の形成や大気進化に関わる基本的かつ普遍的な機構と考えられます。

FACTORSには、磁場、電場、プラズマ粒子計測計等に加えて、PPARCが担当するオーロラカメラを搭載します。れいめい衛星やロケットに搭載したカメラの実績を生かし、従来の衛星観測よりも高感度・高空間分解能をもつ可視と紫外の2種類のカメラにより、オーロラの微細構造の観測が計画されています。

LAMP-2 ロケット計画による脈動オーロラと中層大気の観測
オーロラの種類の一つに「脈動オーロラ」と呼ばれる明滅するオーロラがあります。近年、「脈動オーロラ」が起きるときに「キラー電子」と呼ばれる、エネルギーが数百キロ電子ボルト以上の超高エネルギー電子も同時に降ってきている仮説が示されました。この「キラー電子」は、低い高度数十 kmの中層大気まで入り込み、その場所のオゾンを破壊する可能性があります。

私たちは、2015 年からアメリカの研究者と議論を重ね、LAMPロケット実験の提案をNASAに行い、採択されました。PPARCは搭載カメラ2台の開発を担当しました。ロケットは、アラスカ州のポーカーフラットから2022 年3 月 5 に、大きなオーロラ爆発の直後に発生した「脈動オーロラ」に突入して観測することに成功しました。この観測により世界で初めて「キラー電子」とオーロラ発光の一対一対応が明らかになりました。

この成果を受けて、現在私たちは次のLAMP-2ロケットの準備を進めています。LAMP-2ロケットでは、地上レーダーや光学観測との連携の強化が計画されています。

地上からの全天カメラによる多波長観測は、オーロラの形態などを知るために重要です。極地研究所は第X期重点研究(オーロラXプロジェクト:2022~27年度)を進めています。極冠地域では太陽風と大気の直接的な相互作用が起こり、数百eV(太陽風)からMeV(SEP)までの広範なエネルギー範囲で電子とイオンの降下が発生します。

私たちは、このプロジェクトのための全天カメラを開発しました。2023年から昭和基地で4台、2025年からオーストラリアのケーシー基地とディビス基地でそれぞれ2台、フランス・イタリアのデュモン・デュルヴィル基地とコンコルディア基地でそれぞれ2台の計10台の全天カメラ観測が開始されています。

さらに、2024年から北極ノルウェーで4台のカメラの観測が、福島・飯舘観測所でも低緯度オーロラのための全天カメラ観測が開始されました。これらの総合観測から、オーロラ現象の解明を進めています。

OCTAVES (Observation of CondiTion of Ionized Atmosphere by VLF Experiment)は、電離圏下部の電子密度変動を検出するVLF/LF電離層観測ネットワークです。現在、北欧2箇所、北米3箇所、日本国内2箇所、東南アジア3箇所の計10箇所で観測を実施しています。

低周波(LF)や超低周波(VLF)の電波は、地表と電離圏下端(約70-90km)の間を長距離伝搬します。電離圏下端の電子密度が変化すると受信信号の振幅や位相が変化するため、LF/VLF帯電波観測は地球の下部電離圏の電子密度変化を引き起こす現象を捉える「検出器」と見立てて、次のような科学的観測を行うことができます。 (1)放射線帯から地球大気への高エネルギー粒子の降下現象、(2)中層・上層大気への雷の影響、(3)地球大気への太陽X線フレアや太陽プロトン現象の影響、(4)日食や、下層大気から伝搬する大気重力波・音波の下部電離層への影響、(5)ガンマ線バーストの検出。

ネットワークや研究成果の詳細情報はこちら >> ( https://pparc.gp.tohoku.ac.jp/research/vlf/)

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