科研費 - 大山 伸一郎
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南北オーロラ帯からの観測とモデルに基く高エネルギー降下電子の環境影響に関する研究
研究課題/研究課題番号：24H00751 2024年4月 - 2028年3月
科学研究費助成事業 基盤研究(A)
水野 亮, 三好 由純, 大山 伸一郎, 山下 陽介, 野澤 悟徳, 長濱 智生, 秋吉 英治, 中島 拓
担当区分：研究分担者
地球の環境は、人為的要因だけでなく、多くの自然起源の要因の影響も受ける。本研究は、太陽活動起源で地球に降り込む高エネルギー粒子が、大気組成および気候に与える影響を理解することを目指す。基本となる物理・化学過程は定性的には理解されているものの、粒子のエネルギー分布や降り込みの時空間範囲・頻度などの動態、応答する大気側の影響範囲、時間的な進化など、実際に起きている変化を精確に捉え、因果関係を定量的に理解するための観測データは未だ十分とは言えない。衛星観測、南北極域からの最先端の観測、大規模シミュレーションをもとに、高エネルギー粒子が大気に及ぼす因果関係を定量的に理解し、地球環境への影響を評価する。
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極域熱圏加熱の起源の解明：光と電波を用いた統合高解像度イメージング観測
研究課題/研究課題番号：22H01283 2022年4月 - 2027年3月
科学研究費助成事業 基盤研究(B)
大山 伸一郎, 小川 泰信, 坂野井 健, 細川 敬祐
担当区分：研究代表者
配分額：17550000円 （ 直接経費：13500000円 、 間接経費：4050000円 ）
本研究は最新大型レーダー（EISCAT_3D）、大型光学干渉計（SDI）、高分解能全天カメラネットワークからなる、北欧に集約された世界最高水準の観測装置群を使い、世界初となる電離圏・熱圏・オーロラの同時・イメージング測定を行う。そしてオーロラと電離圏速度のメソスケール構造が極域熱圏を加熱・膨張させるメカニズムを解明する。
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極域大気４次元センシング：メソスケールオーロラを介した宇宙と大気の結合過程の解明
研究課題/研究課題番号：22H00173 2022年4月 - 2027年3月
科学研究費助成事業 基盤研究(A)
細川 敬祐, 小川 泰信, 三好 由純, 大山 伸一郎, 田中 良昌
担当区分：研究分担者
宇宙空間と極域大気が結合した系において，エネルギーの流入量と消費量の間に量的な不整合があることが，近年の汎地球的な計測によって明らかになっている．本研究では，このエネルギー収支における謎を解明するために，2023年から北欧において稼働する次世代大型大気レーダー EISCAT_3D の周辺に高空間解像度カメラを配備し，メソスケールオーロラの動態や背景物理量を3次元的に，かつ高速に観測できる統合観測システムを構築する．この拠点的観測によって極域大気の4次元センシングを実現し，宇宙から大気へのエネルギー伝達・散逸過程において，メソスケールオーロラが担っている役割を明らかにする．
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光と電波を用いた国際共同観測によって明らかにするジオスペース電子降下の時空間変動
研究課題/研究課題番号：21KK0059 2021年10月 - 2026年3月
科学研究費助成事業 国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B))
細川 敬祐, 大山 伸一郎, Martinez・Calderon Claudia, 田中 良昌
担当区分：研究分担者
国際共同の枠組みによって，新たな「光と電波を用いた広域観測網」を構築し，オーロラと降下電子の双方を広い領域で面的に観測する．代表者らが北欧で継続してきた高時間分解能光学観測と，フィンランドとの協働によって設置をするリオメータや VLF 電波観測， 化学シミュレーションを組み合わせることによって，オーロラに伴うジオスペース電子降下の時空間変動，オーロラの形態による特性の違い，大気への影響を定量的に明らかにする．
国際共同の枠組みによって，新たな「光と電波を用いた広域観測網」を構築し，オーロラと降下電子の双方を広い領域で面的に観測することを目的として，観測機器の導入に関する準備作業を行った．特に，リオメータの開発・製作・較正作業について，海外研究協力者であるソダンキラ地球物理観測所（Sodankyla Geophysical Observatory: SGO）の Antti Kero 博士と連携し，設置場所の絞り込み，および導入するリオメータのスペックに関する確認を実施した．VLF 受信観測についても，SGO の Jyrki Manninen 博士とのやりとりを継続し，2022 年に実施予定の設置作業に向けた観測場所の絞り込み，周辺ノイズ環境の把握を行うことができた．また，2021 年 11 月にオンラインで開催された北欧の超高層大気観測のためのワーキンググループ（NOM: Nordic Observatory Meeting）において，本計画に関するプレゼンテーションを行い，北欧の研究者との連携基盤を構築した．すでに北欧 4 地点において実施している高感度カメラによる光学観測については，2021 年冬季シーズンの観測を，機器のリモート制御を行うことによって継続した．欧州非干渉散乱レーダー（EISCAT レーダー）による特別実験も 1-3 月の期間に集中的に実施し，ジオスペースからの電子降下に伴う低高度電離現象の事例を多数得ることができている．今後観測を開始するリオメータや VLF 電波観測， 化学シミュレー ションを組み合わせることによって，オーロラに伴うジオスペース電子降下の時空間変動，オーロラの形態による特性の違い，大気への影響を定量的に明らかにすることが期待できる．
北欧 4 地点における光学観測を継続し 2021 年度冬季シーズンにも良好なデータを得ることができている．また，新規に設置を行うリオメータについても，NOM の枠組みのもとでプロジェクトが位置づけられており，2022 年度以降に予定されている観測機器の導入およびテスト観測の実施への準備が行えている．VLF 電波観測についても，観測候補地の絞り込みが進められており，周辺ノイズ環境の把握もできつつある．これらのことから，おおむね順調に進展していると言うことができる．
北欧 5 地点における光学観測を継続し，研究期間中にさらに 4 回の「冬季集中観測」を実施する．観測の実施やデータの回収は，NOM との連携のもとに，代表者の細川および大学院生が毎年現地に出張することによって行う．2022 年度にリオメータの開発・製作・較正を SGO との連携で実施し，2022 年度秋以降にフィンランドにおいてテスト観測を開始する．設置場所の絞り込みおよび現地調査，降下電子エネルギースペクトル導出手法の開発も並行して進める．2023 年夏にフィンランド国内 2 地点で定常連続観測を開始する．2023 年以降，得られたデータを用いて電子密度の高度分布を推定する．VLF 受信機については，2022 年秋にフィンランド中部に設置し，定常観測を開始する．得られた波動データからサイクロトロン共鳴の条件を仮定して降下電子エネルギーを算出する．SGO の Kero 博士，Turunen 博士を中心に，電子降下による HOx, NOx, オゾンなどの大気微量成分の生成，消滅過程を再現する化学反応シミュレーションを実データを入力にする形に整備する．2023 年以降，リオメータや VLF 観測からのインプットに基づいた計算を実施し，大気微量成分の変動を再現し，粒子降下の影響を評価する． -
青いオーロラの高分解能分光観測に基づく地球大気の窒素分子イオン流出の計測
研究課題/研究課題番号：21K18651 2021年7月 - 2024年3月
科学研究費助成事業 挑戦的研究(萌芽)
塩川 和夫, 大山 伸一郎, 小川 泰信
担当区分：研究分担者
極域のオーロラでは、その上辺が青く光ることがある。この青いオーロラは、窒素分子イオンが高い高度まで上昇し、薄明の太陽光を共鳴散乱して光っていると考えられてきた。しかし質量の重い窒素分子イオンがなぜ高い高度に上昇するか、その機構はよくわかっていない。本研究では、高高度で発光する青いオーロラを、ファブリ・ペロー干渉計を用いて世界で初めて高分解能分光することにより、発光している窒素分子イオンの上昇速度を計測し、高高度の青いオーロラ発光の発生メカニズムを探る。さらに、青いオーロラ発光の分光計測というこれまで行われなかった新しい手法で、地球大気の宇宙空間への流出過程の解明にも貢献する。
・令和３年度は、研究代表者・分担者（塩川・大山）がノルウェー・トロムソ観測点で運用しているファブリ・ペロー干渉計（FPI）で波長427.8nmの青いオーロラ発光を観測できるように、この波長のみを透過するバンドパスフィルターを米国のフィルター製造会社から購入した。
・コロナウイルスの拡大のために現地に行ってこのフィルターを設置することができなかったため、以前からFPIに装着している波長732nmの酸素原子イオンの発光を観測するフィルターを使って、酸素原子イオンの干渉フリンジの計測を令和３年度後半の9-12月に実施した。この中で、特に令和３年9月28日、9月30日のデータを詳細に解析し、干渉フリンジがイオンのdoublet構造により２重になっていることを確認するとともに、鉛直方向のイオンの速度を求めた。今後、さらに他の日のデータも解析し、酸素原子イオンの動きの速度の日による違いを決定していく。
・電離圏・磁気圏の分子イオンの人工衛星による観測の過去の論文をレビューし、これまでに得られている知見をまとめて、今回の観測の新規性をよりはっきりさせた。
コロナウイルスの拡大のために、ノルウェー・トロムソの現地に行くことができず、新たに購入した427.8nmのフィルターをFPIに装着して観測を実施することができていない。代わりのフィルターで酸素原子イオンの観測を行っているが、当初目的である窒素分子イオンはまだ観測できていない状況である。
R４年度には、昨年度に購入した427.8nmを9-12月のどこかでノルウェー・トロムソのFPIに装着し、窒素分子イオンの観測を開始する。また、すでに観測データを得ることができた酸素原子イオンのデータを解析し、日ごとの違いやオーロラとの対応関係を明らかにして、結果を研究会等で発表していく。 -
地上多点ネットワークに基づく超高層大気変動の緯度間結合の観測的研究
研究課題/研究課題番号：21H04518 2021年4月 - 2026年3月
科学研究費助成事業 基盤研究(A)
塩川 和夫, 西谷 望, 大山 伸一郎, 横山 竜宏, 大塚 雄一, 藤本 晶子, 野澤 悟徳, 吉川 顕正, 能勢 正仁
担当区分：研究分担者
地球周辺の宇宙空間のプラズマは磁力線に沿って地球の極域に流れ込み、オーロラに代表される極域の超高層大気の擾乱を引き起こし、さらに中緯度から赤道域に広がっていく。本研究では、既存のアジア域の地上観測ネットワークに加えて、北欧からアフリカ赤道域に至る緯度方向に、夜間大気光を撮像する高感度全天カメラによる地上観測ネットワークを新たに構築し、極域から赤道への超高層大気変動の伝搬過程を２つの経度で同時に測定する。これに人工衛星による観測やモデリングを組み合わせ、極域から赤道域への超高層大気・電磁場変動の発生・伝搬メカニズムとその経度・地方時による拡がりや違いを明らかにする。
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サブストーム回復相における極域熱圏でのエネルギー収支の解明
研究課題/研究課題番号：16K05569 2016年10月 - 2019年3月
科学研究費補助金
大山 伸一郎
担当区分：研究代表者
配分額：4550000円 （ 直接経費：3500000円 、 間接経費：1050000円 ）
オーロラの急激な増光を伴う、サブストームと呼ばれる一連の活動は、成長相・拡大相・回復相の３つの時間帯で構成されている。本研究が着目する回復相には、輝度が明滅するオーロラや、不規則な水平構造（パッチ）を持ったオーロラが現れる。本研究は、このパッチ状オーロラに着目し、その周辺で発生する、磁気圏、電離圏、熱圏の間でのエネルギー収支を、観測的に研究した。欧州非干渉散乱（EISCAT）レーダー、高感度カメラ・ファブリペロー干渉計(FPI)を組合わせた観測実験を実施し、パッチ状オーロラには数百keVの高エネルギー電子の降込みが含まれ、下部熱圏の風速変動がそれと連動していることが分かった。
本研究により、数百keVを超える高エネルギー電子がオーロラパッチと一緒に発生し、それと同時に熱圏大気が変動することが分かった。オーロラパッチが出現する時間帯は数時間以上あり、かなり長い時間、熱圏は変動することが分かる。熱圏は低高度衛星が飛翔する高度でもあり、安定した衛星運用を実現するためには、熱圏が変動する時間と場所を知ることは重要である。本研究は、それを知るための指針となる成果と言える。 -
地上多点ネットワーク観測による内部磁気圏の粒子・波動の変動メカニズムの研究
研究課題/研究課題番号：16H06286 2016年4月 - 2021年3月
科学研究費助成事業 特別推進研究
塩川 和夫, 西谷 望, 関 華奈子, 大山 伸一郎, 大塚 雄一, 田中 良昌, 尾崎 光紀, 能勢 正仁, 片岡 龍峰, 三好 由純
担当区分：研究分担者
・本事業で各観測点に設置されたVLFアンテナ、誘導磁力計、高感度全天カメラ、リオメータ、EMCCDカメラや、平成28年12月に打ち上げられたあらせ衛星、本事業で開発されているモデリングなどを通じ、令和元年度には38件の査読付き論文を国際学術誌に出版した。代表的な成果は以下が挙げられる。
・ロシアのZhigansk観測点や米国のRBSP衛星における観測、モデル計算を組み合わせて、電磁イオンサイクロトロン波動（EMIC波動）が数百keVという従来考えられているよりも低いエネルギー範囲の放射線帯電子の消失に貢献していることを明らかにした。また、アラスカのGakona観測点のEMCCDカメラで高速撮像された脈動オーロラと、あらせ衛星で観測された磁気圏ELF/VLF波動（コーラス波動）の明滅の１対１対応を見出し、秒以下の時間スケールのオーロラの脈動が、コーラス波動の微細構造によって作られていることを世界で初めて明らかにした。さらにフィンランドのKannuslehto観測点とあらせ衛星で同時観測された磁気圏ELF/VLF波動を詳細に解析し、磁気圏赤道面における地球磁場の曲率が、ここで生成される波動の特性を大きく左右していることを明らかにした。これらの電磁波動の衛星ー地上観測の成果は、人類の宇宙利用の脅威となる放射線帯粒子の生成・消失の機構の解明につながる重要な成果である。
・ノルウェーのトロムソ観測点で得られた熱圏風のデータ解析から、オーロラサブストーム開始前後の熱圏風の変動や地磁気静穏時の熱圏風の動態を明らかにした。また、北欧と南極昭和基地の大型レーダーとあらせ衛星の同時観測により、高エネルギー粒子の降込みに伴う中間圏レーダーエコーの発生を見出した。これらの観測は、宇宙空間からの高エネルギープラズマ粒子の流入に対する地球大気の応答を明らかにする上で重要な成果である。
・フィンランド、アイスランド、カナダ、ロシア、アラスカ、日本などの既存の観測点の自動定常観測を維持・継続している。残っているカナダのNain観測点もすべての装置及び記録計の設置を終了し、キャンペーンベースで稼働させることができており、得られたデータの解析も進められている。
・引き続き、これらの観測で得られるデータをERGサイエンスセンターとIUGONETによるデータベースを利用してデータベース化して公開し、国内・海外との共同研究を促進することができている。
・定常観測を継続している日本のERG（あらせ）衛星の軌道に合わせて、令和元年度の秋にもキャンペーン観測を行った。また、米国のVan Allen Probe衛星・THEMIS衛星などの内部磁気圏衛星との同時観測データの解析を進めることもできている。
・波動と粒子の相互作用を局所的およびグローバルに評価するモデリングの開発を継続し、これらの観測と比較することで、モデルの改良と粒子加速・消失の定量評価を行いつつある。
・これらの地上・衛星観測、モデリングから、数多くの研究成果が得られている。
・カナダのNain観測点は、電源が得られない場合は発電機を活用してあらせ上空通過時などに観測を行ってデータを取得していく。
・本研究では8か所の観測点・5種類の機器から大量のデータを得ている。これらの観測データはすべて大容量ストレージに保管され、世界的に広く使われているCDFフォーマットに変換されて、ネットワークを介して世界の研究者に公開されている。昨年度に引き続き、新しく得られてくるデータも世界の研究者に公開し、データ利用の促進と成果の創出をはかっていく。
・本事業ではホームページ（http://www.isee.nagoya-u.ac.jp/dimr/PWING/）を立ち上げてデータの説明や進捗状況、データへのリンク先などを公開している。このホームページを引き続き運用し、情報発信をはかっていく。さらに、関連研究の国際ワークショップや国際シンポジウムを開催して、成果の創出をはかっていく。
・本研究の成果は、科学論文として発表していくだけでなく、さまざまな形で社会へ発信していくことが重要である。このために、出前授業や、大学院生・若手研究者向けの国際スクール、重要な成果のプレスリリースなどを実施していく。 -
宇宙地球系結合機構の実証的研究と次世代電磁気圏探査計画の基盤となる戦略的技術開拓
研究課題/研究課題番号：16H02230 2016年4月 - 2020年3月
科学研究費助成事業 基盤研究(A)
平原 聖文, 齋藤 義文, 大山 伸一郎
担当区分：研究分担者
地球放射線帯探査科学衛星「ERG(あらせ)」に次ぐ将来の宇宙空間・地球超高層探査衛星計画として、複数衛星による同時多点観測を実現する「FACTORS」計画を推進しつつある。高度約350-3500kmにおいて編隊飛行衛星間距離として1-50kmを維持するために化学推薬・スラスターを用いる従来方式と近地点通過時の地球大気からの空力抵抗を積極的に用いる方式を採用する。今年度は化学推進システムの詳細検討を行い、推薬タンクからスラスターまでの配管・バルブ位置を設計した。また、大量の理学観測データの機上処理のための高速演算・大容量ストレージを特徴とする宇宙計画対応回路システムの検討を実施した。
地球極域における電磁気圏環境を支配するイオン・中性粒子とプラズマ波動・電磁場・オーロラのエネルギー収支に関わるダイナミクスの知見を深化させる実証的研究を、探査計画推進・主要分析器開発、衛星・地上観測、データ解析・モデリングとの統合を機軸として実施する。特に、宇宙空間物理学・超高層大気物理学分野における次世代探査機計画に関する戦略的技術開拓を理工融合体制により実施し、搭載機器としてのプラズマ・中性粒子分析器とオーロラカメラの開発に必須となる技術基盤開拓を行う。並行して、電磁気圏イオンの波動粒子相互作用による加速機構に関する事象・統計解析を実施し、地球極域での観測データ処理技術を確立する。 -
偏光分光イメージング観測によるオーロラ偏光過程の解明
研究課題/研究課題番号：26302005 2014年4月 - 2018年3月
科学研究費補助金
坂野井 健
担当区分：連携研究者
本研究は、世界で初めてオーロラの発光スペクトルの広視野偏光分布を観測する偏光分光メージャーと機器偏光を定量的に校正可能な光源を開発した。この装置を2015年に北米アラスカに設置し、厳密な校正データ取得とオーロラの連続観測を行った。この結果、630nmオーロラの直線偏光度が1.6±0.9%であることを明かにした。また、偏光度は天頂付近で小さく、低い仰角で大きいことがわかった。このようにオーロラ偏光を天頂から低い仰角まで一度に測定されたのは世界初である。また、この計画では北欧EISCATレーダーと光学観測等でも国際貢献した。本研究を通じて4名の修士、2名の学士がうまれており、高い教育効果があった。
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脈動オーロラが起こす熱圏風速変動の解明
研究課題/研究課題番号：24540478 2012年4月 - 2015年3月
科学研究費補助金 基盤研究(C)
大山伸一郎
担当区分：研究代表者
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EISCATレーダーを用いたジオスペースに関する国際協同研究
研究課題/研究課題番号：22403010 2010年4月 - 2014年3月
科学研究費補助金 基盤研究(B)
藤井 良一
担当区分：研究分担者
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EISCATレーダーを主に用いた磁気圏・電離圏・熱圏・中間圏結合の総合的研究
研究課題/研究課題番号：18403010 2006年4月 - 2009年3月
科学研究費補助金 基盤研究(B)
藤井 良一
担当区分：研究分担者
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磁気圏-電離圏結合における電離圏の能動的役割の研究
研究課題/研究課題番号：17340145 2005年4月 - 2008年3月
科学研究費補助金 基盤研究(B)
藤井良一
担当区分：研究分担者
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レーダー観測とシミュレーションによる北極域下部熱圏-中間圏結合の解明
研究課題/研究課題番号：16340146 2004年4月 - 2007年3月
科学研究費補助金 基盤研究(B)
野澤 悟徳
担当区分：研究分担者
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極域中間圏・熱圏における中性風の研究
1999年4月 - 2001年3月
科学研究費補助金 基盤研究(C)
野澤 悟徳
担当区分：研究分担者