Research

宇宙地球電磁気学 電磁気学で観る太陽地球系 -宇宙天気から地震まで-

教員 教　授 吉川 顕正
准教授 河野 英昭

　今日、人類の宇宙空間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。

太陽地球システムにおける宇宙地球電磁気学分野
図１.太陽地球システムにおける宇宙地球電磁気学分野

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、何が最終的な引き金（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"磁気圏物理最大の問題"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。

人工衛星からのオーロラ画像
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)

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４)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。地上からの地磁気観測により得られたデータと人工衛星で宇宙空間から観測された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。

Image衛星によるプラズマ圏の撮像
図４.Image衛星によるプラズマ圏の撮像

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５)。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。

　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。

大規模電離圏電流系の可視化
図５.大規模電離圏電流系の可視化

卒業生の研究テーマ例(過去10年)

過去学位論文

  • 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
  • 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
  • MAGDASデータベースを用いた磁場データ解析システムの構築
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 大気波動によるSq-EEJ電流系の準6日振動現象の解明
  • 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
  • 磁場・電場複合観測に基づくサブストーム電離圏全球応答の精査
  • オプティカルフロー解析の応用によるオーロラ動態の解明
  • 磁気圏多点衛星観測時代に向けたデータ解析手法の開発
  • Pc2脈動の全球的分布特性の解明
  • 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
  • 太陽フレアに伴う低緯度地磁気異常の地方時発生特性
  • MSTIDに伴う地上磁場変動の詳細解析