宇宙科学シンポジウム発表_山本衛_20140106版

宇宙科学シンポジウム発表
at JAXA宇宙研
2014/1/10
観測ロケット
S-520-27号機・S-310-42号機を
中心とする電離圏波動現象の総合観測
山本衛（京大），阿部琢美（JAXA），山本真行（高知工科大）
渡部重十（北大），羽生宏人（JAXA），石坂圭吾（富山県立大），
遠藤研（東北大）、岩上直幹（東大）、高橋隆男，田中真（東海大），
斎藤享（電子航法研），横山竜宏，津川卓也（NICT），
Miguel Larsen（米クレムソン大），Paul Bernhardt（米NRL）
発表内容
 2013年7月20日に連続して打上げられた観測ロケットS-520-27
号機・S-310-42号機と地上観測を組み合わせて実施した電離
圏観測について、現在の到達点を発表する。
 本観測計画の主目的は、中緯度・夏季・夜間の電離圏Ｆ領域に
発生する「中規模電離圏擾乱（MSTID）」の発生機構の解明で
あった。
 そのため電離圏のプラズマ密度・電界と中性大気風速を同時・
同領域で観測することを目指した。また電離圏プラズマ密度の
水平非一様性を地上のGPS受信機網やイオノゾンデを用いて
観測した。
 本観測には次のような技術的な挑戦が含まれている。




満月下のリチウム発光雲観測
リチウム放出機構の改良
航空機からの撮像
MSTID発生のリアルタイムモニタリング
中緯度電離圏F領域・夏季・夜間に現れる
中規模電離圏擾乱（Medium-Scale Traveling
Ionospheric Disturbance (MSTID)）
地上のGPS観測網からの大気光(波長630nm)全天イメー
全電子数観測
ジャ観測
観測の概要
Moon light
Plasma in-situ
measurement
(density, electric
filed, etc.)
S-520-27 rocket
Lithium release
F region wind
MSTID
occurrence
S-310-42 rocket
TMA release
E region wind
Rocket trajectry
Chemical-release
imaging from a
JAXA jet.
Beacon receivers to
measure TEC from
rockets to ground
2 rockets are launched
from JAXA USC with
30-60 minutes interval
Ground obs. (Chemical-release imaging,
GPS-TEC, ionosonde, MU radar, etc.)
観測項目
– S-520-27号機： NEI (電子密度)、
FBP (密度変動)、EFD (電界)、
DBB (ロケットビーコン)、
LES (リチウム放出)、
MAS (月センサ)、IAF (星センサ)、
MGF (高感度磁力計)
– S-310-42号機: DBB (ロケットビーコン)
TMA (TMA放出) （他に振動計測と
GPS受信機を搭載）
– 地上・航空機観測： TMA・リチウム撮像
– 地上観測: GPS受信機網、ビーコン受
信機、イオノゾンデ他
観測条件
– 満月（リチウム雲を照らす光）
– MSTID発生（GPS-TEC観測でモニタ）
– 航空機（天候条件、飛行軌道）
地上および航空機観測の配置図
信楽
MU観測所
ビーコン受信機
TMA/リチウム
撮像
高知工大
室戸岬
薩摩川内
吹上浜
海上サイト
TMA release
垂水
内之浦
種子島
JAXA実験機 “飛翔”
と飛行経路
Lithium release
ロケット打上げ前後のGPS-TEC状況
（電子航法研・斎藤）
July 20, 2013
22JST
23JST
S-310-42
launch at
23:00JST
24JST
S-520-27
launch at
23:57JST
国土地理院のGOENET（GPS観測網）から200点のデータを１秒毎に入手し、TEC値
の全国水平分布を５分おきにweb配信した（電子航法研究所・斎藤による新システム）
 電子密度変動を確認した上で、23:00JSTと23:57JSTに観測ロケットを打上げた。
2013/7/20 from airplane
23:01:40
2013/7/20
From airplane
23:04:20
TMA
23:12:25
Lithium atom scattering moon lights
00:05:18
00:05:23
00:05:28
00:05:33
From Tanegashima
From Habu
E-F Region Coupling: 2013/7/20 at Uchinoura
TMA
23:02:51
23:03:50
23:04:31
23:08:50
23:03:50
KSC
23:04:31
KSC
23:08:50
KSC
23:03:52
TAN
NEIによる電子密度観測（東北大・遠藤）
Electron Density Profile (Ascent/Descent)
Altitude [km]
下降時の電子密度
が上昇時よりも約
７倍大きい
－Ascenct
－Descent
電子密度
の測定結
果はFBP
データとも
a part of data
being
整合的で
over range あった。
（ISAS・阿
部）
リチウム放出に伴う増大
２層構造のEs層
Electron Density [/cc]
Fig. 6 Electron density profiles obtained by NEI in the S-520-27 rocket experiment.
11
NEI観測と地上観測の比較
－Ascenct
－Descent
Detrended TEC Data (15 min-window)
15:00:00 UT 07/20 2013
TEC [1016/m2]
Latitude [°]
36
corresponding to
ΔTEC=0.32×1016/m3
32
28
128
136
132
Longitude [°]
・TECs vary with time in the
region which the S-520-27
rocket flies.
・The difference between the
electron density profiles
obtained in the ascent and
descent phase might reflect
the TEC perturbations.
Fig. 11 Trajectory of S-520-27 rocket overwritten on the detrended TEC data
(15 min-window) map at 15:00 UT on July 20, 2013.
12
ロケットビーコン(DBB)による電子密度測定
（京大・山本衛、NRL・Bernhardt）
S-520-27号機の全電子数の時間微
分 dTEC/dt の変動を示す。T=200370s （矢印）が高度280km以上に対
応。電子密度の空間変化が見られる。
S-520-27
S-310-42
S-520-27号機：下降時の密度増大は
NEIの電子密度観測と整合的。
S-310-42号機：約1時間前の観測でも
複数層をもつEs層が見られた。
ロケット姿勢解析（１）（東海大・田中／高橋）
ロケット姿勢
 ロケット姿勢：スピン、コーニング（機体軸とスピン軸のずれ）、歳差運動に分けて記述
 MAS （月センサ）とMGF （磁力計）を組み合せた解析によって、各時刻のロケット姿勢
を精度0.02度で決定した。磁場のIGRFモデル値からの乖離は±20nT程度である。
 更なる精度向上を目指している。
ロケット姿勢解析（２）（東海大・田中／高橋）
MAS （月センサ）とMGF （磁力計）が同
時に得られる時刻におけるIGRFモデル
からの乖離を示した（左図）。時間スケー
ルが数十秒程度の変動が５回検出された。
電離圏電流による磁場変動分か？
まとめ
• 観測ロケット実験
– MSTIDの出現（＝電子密度の空間変動が多い状況）を選んで打上
げに成功。
– リチウム放出機構の安定動作を達成。
– リチウム発光雲の満月下でのイメージングに成功。
• データ解析の現状
– TMAを用いて風速を推定（背景風成分）した。
– 複数の電子密度観測から、大きな空間変動が検出された。
– ロケット姿勢の精密測定に成功した。
• 今後の課題
–
–
–
–
–
TMA／リチウム観測について大気波動成分の解析。
ロケット姿勢の精密値を用いた電界解析。
磁場測定値とIGRFモデル値の乖離（電離層内の電流？）を解析。
ロケットビーコン観測についてトモグラフィー解析。
MSTID発生機構について総合的に議論する。
以降は予備
Photos from the ground
Sky was clear during the experiment.
These are example photos from Satsuma-sendai city.
TMA
upleg
TMA
downleg
Photos by Hayamizu and
Ando at Sendai Uchu-kan
http://sendaiuchukan.jp/data/gallery/ex/1307-TMA.html
S-310-42
launch
E/F領域結合の3次元シミュレーション
「Es層にランダム変動＋南向き風」の例
E領域
F領域
時間
(Yokoyama et al., JGR, 2009)
Neutral Wind Velocity
N-S
E-W
 u z sin z sin   u z cos z cos 
z    u z sin  z cos   u z cos z sin  
u  z  
u
where
i 1, 2
i 1, 2
u
a ,i
i
a ,i
i
 u d ,i 
u
i
b ,i
i
 u d ,i 
b ,i
 z  z 0 u ,i 

u a ,b ,i  z  

tanh

2
2
z
 w ,i 
u ,i  d ,i  u ,i  d ,i   z  z 0 w,i 
i  z  

tanh

2
2
z
w
,
i


u ,i
u ,i
i
i
i
i
2013/7/20 at Tanegashima
TMA
23:03:52
From Habu

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