研究紹介 | 九州大学大学院理学府地球惑星科学専攻流体圏・宇宙圏科学講座

電磁気学で観る太陽地球系 -宇宙天気の観測から理論まで-

教員	教　授	吉川顕正
	准教授	河野英昭

　今日、人類の宇宙利用は着実に進められてきており、私たちの生活に身近なものとなりつつあります。例えば、地球近傍の宇宙空間における様々な人工衛星の運用は通信・情報化社会における基盤的な役割を担っています。同時に、この領域は太陽活動によって磁気嵐が発生し、高エネルギー粒子による放射線帯が形成される領域であり、宇宙機や生体にとって非常に過酷な環境です。このような宙空環境の変化（＝宇宙天気）を的確に把握、さらには予測・予報することは社会からも大いに期待されていることです。

　宇宙天気現象の多くは惑星規模の空間スケールで生じる電磁気学的現象です。それらを正しく捉え、理解すべく当研究分野では"観測・解析・理論"に基づく総合的な視点から研究を行っています。

図１.宇宙地球電磁気学分野の研究内容

オーロラ嵐

　オーロラ嵐とは夜側の高緯度帯においてオーロラが急激に輝きだす現象です。この現象は、夜側地球磁気圏尾部に蓄えられた太陽風起源のプラズマ粒子が、何らかの理由で突然解放され、極域の高層大気における酸素・窒素の原子・分子と衝突することにより生じる発光です。しかしながら、何が最終的なトリガーとなってオーロラ嵐が始まるのか、その発生機構については長年の研究にも関わらずほとんどわかっていません。そのため、オーロラ嵐の発生メカニズム解明は"磁気圏物理最大の謎"とされています。私たちはオーロラ嵐開始時に汎世界的に観測される磁気波動現象(Pi2型地磁気脈動)の生成・伝搬特性を調べ、オーロラ嵐の監視・原因解明に取り組んでいます。

図２.人工衛星からのオーロラ画像．宇宙空間から地球の極域を観たところ。
図３. Pi2型地磁気脈動(CPMN:九大)

宇宙磁場情報幾何学 (New Topic!!!!)

　超多点衛星観測時代に向けた宇宙磁場情報幾何学の創成を目指します。次々世代ミッションに向けた新領域です。

大規模電離圏電流系

　地上約100kmの高層大気(電離圏)では、中性大気の循環運動とプラズマの運動が相互に作用し、大規模な電流系(Sq電流系・赤道ジェット電流)が生成されます(図４)。従って電離圏電流の研究は様々な宇宙天気現象と密接に関係しているばかりではなく、高層大気運動の問題としても重要です。最近の研究では、下層大気(対流圏や成層圏)で生じた大気波動が高層大気(電離圏)におけるプラズマの分布を決める重要な要因であるということがいわれています。

　当研究室では大規模電離圏電流系に見られる上層からの影響(太陽からの光エネルギー及び電磁エネルギー侵入過程)と下層からの影響を正しく評価し、高層大気の長期的気候変動を調べる研究を行っています。

図４.大規模電離圏電流系の可視化

プラズマ圏診断

　電磁流体力学の知識を応用することで、地球近傍の宇宙空間(プラズマ圏；図５)におけるプラズマ密度を地上から推定する研究を行っています。地上の地磁気観測データと人工衛星観測データを組み合わせることで、より精度の高いリモート観測手法の確立を目指しています。

図５.Image衛星によるプラズマ圏の撮像

修士・博士の研究テーマ例(2020年以降)

過去学位論文

理論・シミュレーション

Quantum Computing for Space Plasmas: Applications to Vlasov-Maxwell Systems through Hamiltonian Simulation
Disruption Process of Accumulated Northward InterplanetaryMagnetic Fields Ahead of the Dayside Magnetosphere
磁気圏-電離圏結合系において生じる電離圏上空のプラズマcavity領域の形成過程の考察~オーロラ加速領域形成過程解明に向けて~
テンソルネットワークによる磁気流体モデルの高速化 : 密度行列繰り込み群の応用
IGRFモデルおよび準3次元静電ポテンシャルソルバーを用いたM-I結合系におけるEEJの構造解析
電離圏分極型PBIに伴う電子加速機構を再現する3次元電子流体加速シミュレータの開発
高緯度帯でのAlfvén波を介したM-I結合系の記述；分極、誘導効果、伝導度発展による複合効果の探査

観測・解析

Investigation of the Electromagnetic Field Response in the Global Ionosphere During Substorms
Quasi-6-day wave modulation of the ionospheric currents based on ground magnetic field observations and numerical calculations
Pi2地磁気脈動の解析によるサブストーム初動時における磁気圏-電離圏全球結合系の解明
スプライトに伴う特異な ELF 帯磁場変動に関する研究
CEJ消失時間がプラズマバブル発生に与える影響
地上磁場データを用いた台風がもたらす電離圏擾乱の解析
太陽-地球方向を向いた惑星間空間磁場に対する地球磁気圏の応答研究
磁気赤道域における特異的な太陽フレア効果（SFE*）の発生要因の探究
THEMIS全天カメラ・地上磁場データによるPBI電離層モデルの検証
オプティカルフロー画像解析の応用によるオーロラ動態の解明
サブストームオンセット後に励起されるPc4地磁気脈動とオーロラストリーマーの動態解明について
磁気擾乱時における中低緯度領域電磁誘導応答の研究
FLRの自動同定とそれを用いた磁気嵐中の磁気圏プラズマ密度の解析
みちびき衛星(QZS)初号機とMAGDASによる磁気圏-電離圏結合電流の解析
MSTIDに伴う地上磁場変動の詳細解析

開発