Study on oxygen ion energization in the near-Earth magnetotail using multi-spacecraft observations and particle tracing simulation

利用多航天器观测和粒子追踪模拟研究近地磁尾氧离子赋能

• 批准号: 20H01957
• 负责人: 桂華 邦裕
• 金额: $ 7.32万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H01957/
• 关键词: 地球大気起源酸素イオン; イオン輸送、加速、加熱; 磁場双極子化; 磁気圏尾部ダイナミクス; 内部磁気圏リングカレント; 内部磁気圏; リングカレント

爆発的な宇宙嵐が発生すると、地球大気から流出した酸素イオンがエネルギーを得て(加速や加熱を受けて)、磁気圏全体のダ イナミクスに 大きく影響を与える。このプロセスには、大規模な磁気圏磁場構造の変化(磁場双極子化)が重要な役割を担っていると考えられているが、酸 素のような重い粒子の描像は未解明な点が多い。本研究では、磁気圏尾部を中心に飛翔する複数衛星のデータ解析とグローバル磁気流体モデル内での粒子追跡計算を組み合わせることで、「磁場双極子化に伴う酸素イオンの選択的な高圧化」のメカニズムを明らかにする。また、主要イオン種である水素イオンと酸素イオンに加えて、異なる質量や電荷を持つイオンの振る舞いにも着目することで、「内部磁気圏酸素圧の増強に影響を与える磁場双極子化の時間空間スケールの定量的評価」にチャレンジする。本年度は、あらせ衛星で得られたデータを用いて、内部磁気圏のうち磁気圏尾部に近い領域において、異なる5つの粒子種（H+, He++, He+, O++, O+）についてエネルギースペクトルの時間変動を複数の磁気嵐について調査した。電荷が同じで質量が異なるイオン種を比較すると、より重いイオンが多くのエネルギーを得ていることが明らかになった。質量が同じで電荷が異なるイオン種を比較すると、より電荷が小さいイオンが多くのエネルギーを得ていることが明らかになった。また、この粒子種選択的エネルギー増加（高圧化）が非熱的イオンの生成ではなくイオン温度増加に起因することが示された。この高圧化現象は磁場双極子化に伴って発生することが考えられ、重イオンが非断熱加速を受けながら効率的に捕捉される輸送システムが存在していることを示唆している。本成果は、国際学会誌 Journal of Geophysical Research Space Physicsに出版された。

Blasting 発 な universe arashi が 発 raw す る と, big earth 気 か ら outflow し た acid element イ オ ン が エ ネ ル ギ ー を must て (accelerated や heating を け て), magnetic 気 sha-lu all の ダ イ ナ ミ ク ス に big き く influence を and え る. こ の プ ロ セ ス に は, large-scale な magnetic 気 sha-lu の magnetic field structure variations change (magnetic dipole) cut を bear important な が service っ て い る と exam え ら れ て い る が, acid の よ う な heavy い の tracing particles like は not interpret な が い more. This study で は, magnetic 気 sha-lu tail fly を center に す る plural satellite の デ ー タ parsing と グ ロ ー バ ル magnetic 気 fluid モ デ ル within で の particle tracing calculation を group み close わ せ る こ と で, "magnetic dipole に with う acid element イ オ ン の sentaku な high 圧" の メ カ ニ ズ ム を Ming ら か に す る. ま た, main イ オ ン kind で あ る water element イ オ ン と acid element イ オ ン に plus え て, different な る mass や charge を hold つ イ オ ン の vibration る dance い に も with mesh す る こ と で, "internal magnetic 気 sha-lu acid element 圧 の raised strong に influence を え る dipole magnetic field change の time space ス ケ ー ル の quantitative review 価" に チ ャ レ ン ジ す る. This year は, あ ら せ satellite で must ら れ た デ ー タ を with い て, internal magnetic 気 sha-lu の う ち magnetic 気 sha-lu tail に nearly い field に お い て, different な る 5 つ の particles of (H +, He++, He + O++, O +) に つ い て エ ネ ル ギ ー ス ペ ク ト ル の time - move を plural の magnetic 気 arashi に つ い て survey し た. Charge が with じ で quality が different な る イ オ ン kind を compare す る と, よ り heavy い イ オ ン が more く の エ ネ ル ギ ー を have て い る こ と が Ming ら か に な っ た. Quality が with じ が で charge different な る イ オ ン kind を compare す る と, よ り charge が small さ い イ オ ン が more く の エ ネ ル ギ ー を have て い る こ と が Ming ら か に な っ た. ま た, こ の particles of sentaku エ ネ ル ギ ー raised (high 圧) が requirement by the hot イ オ ン の generated で は な く イ オ ン temperature raised and cause に す る こ と が shown さ れ た. こ の high 圧 phenomenon は dipole magnetic field change に with っ て 発 raw す る こ と が exam え ら れ, heavy イ オ ン が not break hot accelerate を by け な が ら sharper rate に capturing さ れ る conveying シ ス テ ム が exist し て い る こ と を in stopping し て い る. This achievement is published された in the Journal of Geophysical Research Space Physicsに.

项目成果

On Plasma Transport and Energization in the Magnetospheres of Magnetized Planets

关于磁化行星磁层中的等离子体传输和能量化

• 发表时间: 2021
• 作者: Noguchi Takaaki;Matsumoto Rikako;Yabuta Hikaru;Kobayashi Hanae;Miyake Akira;Naraoka Hiroshi;Okazaki Ryuji;Imae Naoya;Yamaguchi Akira;Kilcoyne A. L. David;Takeichi Yasuo;Takahashi Yoshio;平岩広羽，押谷優太，福澤健二，東直輝，伊藤伸太郎，張賀東;桂華邦裕
• 通讯作者: 桂華邦裕

Observations of mass- and charge-dependent ion energization in the near-Earth magnetotail

近地磁尾中质量和电荷相关离子供能的观测

• 发表时间: 2020
• 作者: 田中 智;長野 方星;八木 貴志;猪 裕太;辻 健;佐藤 雅彦;黒澤 耕介;長足 友哉;中嶋 大輔;石崎 拓也;河原 岳尊;坂谷 尚哉;遠藤 理恵;山下 雄一郎;西 剛史;太田 弘通;菅沼 友仁;…土`山 明;他;桂華邦裕
• 通讯作者: 桂華邦裕

Observational study on preferential energization of low-charge-state heavy ions in the near-Earth magnetotail

近地磁尾低电荷态重离子择优赋能观测研究

• 发表时间: 2020
• 作者: Toshihiro Abe;Obvious Katsaura;菅原康弘;桂華邦裕
• 通讯作者: 桂華邦裕

Plasma and Field Observations in the Magnetospheric Source Region of a Stable Auroral Red (SAR) Arc by the Arase Satellite on 28 March 2017

• DOI: 10.1029/2020ja028068
• 发表时间: 2020-09
• 期刊: Journal of Geophysical Research: Space Physics
• 作者: Y. Inaba;K. Shiokawa;S. Oyama;Y. Otsuka;A. Oksanen;A. Shinbori;A. Gololobov;Y. Miyoshi;Y. Kazama;Shiang‐Yu Wang;S. Tam;T. Chang;Bo‐Jhou Wang;S. Yokota;S. Kasahara;K. Keika;T. Hori;A. Matsuoka;Y. Kasahara;A. Kumamoto;Y. Kasaba;F. Tsuchiya;M. Shoji;I. Shinohara;C. Stolle

Comparative Study of Electric Currents and Energetic Particle Fluxes in a Solar Flare and Earth Magnetospheric Substorm

• DOI: 10.3847/1538-4357/ac2dfc
• 发表时间: 2021-05
• 期刊: The Astrophysical Journal
• 作者: A. Artemyev;I. Zimovets;I. Sharykin;Y. Nishimura;C. Downs;J. Weygand;R. Fiori;Xiao‐jia Zhang;A. Runov;M. Velli;V. Angelopoulos;O. Panasenco;C. Russell;Y. Miyoshi;S. Kasahara;A. Matsuoka;S. Yokota;K. Keika;T. Hori;Y. Kazama;Shiang‐Yu Wang;I. Shinohara;Y. Ogawa