CHAIN-VLF地上観測と ERGプロジェクトとの連携

CHAIN‐VLF地上観測と
ERGプロジェクトとの連携
尾崎光紀（金沢大学）
VLF‐CHAIN関係者（研究代表：塩川和夫）
塩川和夫、三好由純、片岡龍峰、家田章正、海老原祐輔、
横山侑、石坂和大、 S. Lee, M. Connors, I. Schofield
ERG‐PWE（PI: 笠羽康正）金沢大学グループ
DPU: 笠原禎也、井町智彦、後藤由貴
SC: 八木谷聡、尾崎光紀
撮影：家田章正（Fort Vermillion, Canada）
第一回ERG設計会議・サイエンス会議
9/13‐14, 宇宙研
放射線帯とVLF
主相で外帯消失
回復相で増大（加速）
・VLFコーラス加速
・波動粒子相互作用
による大気への消失
放射線粒子において
VLF波動は加速＋消失
において重要
Kasahara et al.,
GRL, 2009
VLF‐CHAIN
（VLF Canada observation with High‐resolution Aurora Image Network）
 ERGプロジェクトの地上観測サポートの一環（2012年～）
（研究代表：塩川和夫）
アサバスカ（カナダ）
サブオーロラ帯（54.72°N, 246.69°E, MLAT=61.3°）
Instruments（すべてGPSで時刻同期）
VLF波動：ループアンテナ（100 kHz）（国立極地研究所との共同研究で開発）
イメージャー：狭視野CCDカメラ、All‐Sky Imager（30 Hz）、EMCCD（100 Hz）
降下粒子：天頂リオメータ
ULF波動：誘導磁力計（64 Hz）
5 m
ループ面積
16 m2
ループアンテナ感度
MMO‐SC（10 cm）
RBSP‐SC
(EMFISIS webページより)
ERG‐SC（20 cm）
VLF‐CHAIN (5 m, 16 m2)
Chorus
（地上）
（地上VLF網の整備遅れ）
ファラデーの法則より、
衛星用センサに対し10～100倍の大きさが必要
衛星観測に対し
約1/10～1/100に減衰
・電離層減衰
・自由空間伝搬
アサバスカでのコーラス観測例（30秒）
4.5 kHz
Ringing tone, falling tone, and others
2.5 kHz
Hiss and ringing tone chorus
4.5 kHz
2.0 kHz
4.0 kHz
1.5 kHz
0 sec
Chorus and low frequency sweep rate wave
Time (sec) 30 sec
地上‐衛星観測
 地上観測デメリット（衛星観測のメリット）
発生源、発生メカニズムの詳細は分からない
 地上観測メリット（衛星観測のデメリット）
L値固定の観測（時間変化）
磁気圏モニタリング
多点観測の展開（空間変化）
発生源の広がり
伝搬路の情報を含む
波動伝搬の物理
電子密度推定（逆問題）
単体衛星であるERGは、ほかの衛星または地上観測との連携が必要不可欠
同時観測への要求
フットプリントの精度（磁場モデルTsyganenko, IGRFなど）
時刻精度（2.78 μsecの時間ズレが1 kHz波動の1度位相ズレ）
磁気圏モニタリング
Abel et al.,
JGR, 2006
Substorm Chorus Event (SCE)
サブストーム・オンセットの目安
コーラス（発生域から地上へ伝搬したもの）
深夜～明方に見られる
（gradient/curvature and E x B drift）
周波数の上昇
コーラス発生源の空間分布は？
SCEの時空間の発展は？
L値の依存性
MLTの依存性
地上多点観測
発生領域での物理
1.4‐2.0 MeV
衛星観測
30‐45 keV
発生源の広がり（Ionospheric exit point）
VLF日変化（March 31, 2006@SYOWA）
3地点の波動強度、偏波の違い
波動分布のモデル計算
波動強度
偏波
透過領域の推定
オーロラとVLF透過領域の時間発展
発生源の広がり（Pulsating aurora and chorus generation region）
45
40
35
ATV輝度値とコーラス強度の1対1対応
ATV intensity (a.u.)
50
30
40
0.5 fce-eq
30
20
10
0.2 fce-eq
VLF intensity (dB)
Zenith angle (deg)
Frequency (Hz)
VLF
ATV keogram
脈動オーロラとコーラス
N
60
40
20
0
-20
-40
-60
S
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
35
30
10
20
30
40
Time (sec)
50
54
20
52
15
50
10
48
0
Geo. lon. = 44.7o E
10
20
30
40
50
60
Time (sec)
60
磁場モデルを使ったコーラス発生域の推定
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
-65
56
25
0
0
58
VLF
Aurora
ATV‐VLF相関分布とコーラス発生域
1.0
M.N
Geo. lat. = 68.9o S
0.9
0.5fce-eq
0.5fce-eq
0.8
E
W
コーラス発生域
0.2fce-eq
-70
-75 35
Geo. lat. (deg)
0.2fce-eq
40
45
50 55
Geo. lon. (deg)
0.7
0.6
0.5
S
0.4
波動伝搬（Downward ionospheric penetration of whistler mode waves）
Akebonoと昭和基地（地上）同時観測例
Poynting fluxの減衰量
Akebono (1 kHz)
衛星（発生域）
Poynting flux
k‐vecor
屈折率
18 ～ 20 dBの減衰
Ground obs. (1 kHz)
伝搬ベクトルの評価
（トランスミッションコーンの評価）
4度の広がり
5度の広がり
地上でのコーラス波動強度の分布
・波動エネルギー
・伝搬ベクトル
を考慮した
伝搬解析
レイトレーシング
Full‐wave解析
逆問題への応用（下部電離層の電子密度推定）
地上コーラスとCNA（降下電子）
CNAとコーラス波動強度の相関解析
正相関：波動粒子相互作用
負相関：電離層での波動減衰
電子密度モデルと負相関の傾き変化
下部電離層の電子密度増大を推定
逆問題への応用（プラズマ圏の電子密度推定）
後藤他,
理論値
観測値
IEICE, 2006
14
Frequency[kHz]
9.0
周波数
スペクトル
8.0
Source
7.0
Earth
○
Observation
Point
12
10.0
6.0
5.0
4.0
Frequency[kHz]
Ray Paths
10
8
分散値
6
4
3.0
2
2.0
1.0
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Delay time[sec]
レイトレイシング
90
Wave normal angle[degree]
伝搬ベクトル
方向
WDF法
Wave normal direction estimated by WDF method
あけぼの衛星
80
70
60
50
伝搬ベクトル
40
30
20
10
0
0
電子密度分布
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Delay time[sec]
逆問題解法により最適な電子密度分布を推定
まとめ
単体衛星であるERGの
現象の時間、空間変化の切り分けに
地上観測との連携は重要
イベントの同定
時間、軌道、フットプリントの精度
地上VLFの展望
とにかく観測地を増やす（例、Themis GBO）
VLFセンサの小型化が重要
交流磁界センサの改良
広帯域化と高感度化
Collaboration with C. Coillot and G. Chanteur (LPP, France)
広帯域化：Dual‐Resonant SC (DRSC)
 従来センサ（単一コイル） → 広帯域化を困難にする
 コンデンサで二つのコイルを結合
高域コイル
低域コイル
複共振を発生
容量性結合
コンデンサ
広帯域増幅回路
高域コイル
広帯域受信機へ
磁気シールド
低域コイル
磁性体コア
一つのセンサと増幅回路で広帯域化（～1MHz）
DRSCのゲイン、感度とプラズマ波動
Equatorial noise
10
Gain (dBV/nT)
105
104
Chorus
0
Hiss
103
AKR(R-X)
2
-10
10
-20
101
-30
101
100
102
103
104
Frequnecy (Hz)
105
106
NEMI (fT/Hz1/2)
20
複共振（二つの共振点）により、
10 Hz～1 MHzまでを1つのセンサーと増幅器でカバー
高感度化：Multiple Connected SC (MCSC)
ノイズ成分
ソレノイドコイル
Z
増幅器
磁性体コア
センサーインピーダンス：
// 1⁄
電流ノイズ： in
電圧ノイズ： en
E
共振周波数で
インピーダンス最大
4
起電力は一定で、
インピーダンスの低減が重要
ノイズ成分
Z/N
・・・
E
センサN個の並列接続
インピーダンス1/N倍
4
高感度化（ノイズ1/N倍）
（加算平均1/√N倍より有利）
/
MCSCの感度
MMO‐SC
ERG‐SC
MCSC
VLF‐Chain (Loop)
Chorus
9月末に
アサバスカで
地上試験の予定

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