地表-熱圏間の音波共鳴が引き起こす電離層電磁気現象の観測的・理論的研究

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地表と熱圏の間で捕らえられて共鳴する音波が引き起こす力学的および電磁気的変動の物理過程を明らかにし、共鳴振動という観点から固体-下層中性大気-電離層プラズマの結合過程を解明することが本研究の目的である。当初の計画ではダイナモモデルを開発し、音波による力学的変動が罐磁気的な変動に変換される物理過程を調べることに重点を置いていた。ところが、2011年3月11日の東北地方太平洋沖地震の後に音波共鳴による電離層電子密度変動の水平構造が初めて明瞭に観測された[Saito et al.,Earth,Planets,Space,2011]。音波共鳴モードは水平方向に広がりにくいため、波源の広さと変位の情報を長時間保存する。当該年度には報告者はこの性質に着目して、数値シミュレーションと観測の比較により波源の情報を推定することに計画の重点を置き換えた。シミュレーションには京都大学学術情報メディアセンターの大型計算機システムを利用した。Shinagawaらによる2次元の中性大気-電離層モデル[Earth,Planets,Space,2007]を3次元に拡張し、それを用いて同地震後に観測された電離層の全電子数(TEC)の変動を再現した。その結果、波源である海面変動の直径を250km、変位を30mと推定した。モデルの精度を確認するために、音波共鳴以外に観測された2つの現象のシミュレーションも行いメカニズムを明らかにした。(1)地震直後の震央直上での電子密度の急激な減少は、磁力線に沿ってプラズマが震央の南北へ輸送されることによるものである。(2)震央から遠方に伝播する位相速度220-780m/sのTEC変動のうち、420-780m/sのものは下部熱圏で発生した大気重力波と音波によるものである。220-290m/sのものは震央付近から伝播する津波によって励起された大気重力波が引き起こしたものである。以上の結果は、電離層変動の観測とシミュレーションを組み合わせることにより津波の規模を推定できることを示唆している。