磁気圏・電離圏物理学分野からのコメント
磁気圏-電離圏結合研究の紹介

名古屋大学太陽地球環境研究所
三好由純

Acknowledgements:
片岡龍峰、松本洋介、平原聖文、坂野井健

＊ 太陽/太陽風が支配するシステム （外からドライブ）＊ 異なる領域が存在し、接触している -> 領域間結合 (Multi-Physics)
磁気圏（プラズマシート、内部磁気圏etc）、電離圏境界で特徴的な現象が発動  オーロラ粒子加速＊ スケール間が動的に結合 -> スケール間結合
リコネクション

＊ 異なるエネルギー粒子が共存 -> エネルギー階層間結合
波動粒子相互作用による放射線帯粒子加速小型科学衛星ERG プロジェクト -2013-2014年打ち上げ予定
衛星：放射線帯中心部でプラズマ総合観測を実現 (エネルギー階層間結合、ミクロ過程）
連携地上観測、他衛星との共同観測 （マクロな領域、階層間結合）

PPE
電子： 12 eV – 20 MeV
イオン： 10eV/q – 180keV/q
PWE/MGF
電場： DC – 10 MHz
磁場： DC - 1 MHzS-WPIA
波動と粒子の相関解析

Outline
1. 宇宙天気的な視点から
2. 磁気圏-電離圏結合
・衝突の支配する電離圏
・電離圏-磁気圏結合、沿磁力線電流・沿磁力線加速・電離圏が沿磁力線加速に及ぼす影響
・小スケールオーロラとAlfven wave
・Alfven waveの閉じ込めとフィラメント化するオーロラ
3. 磁気圏-電離圏結合のポイント
4. むすびにかえて

電離圏—彩層
磁気圏－コロナ
磁気圏-電離圏結合領域－遷移層？

1. 宇宙天気の点から (磁気圏物理/電離圏物理から）システム（磁気圏・電離圏）の発達を決定づける要因として、太陽/太陽風が本質的(Living With A Star)
いま見ている太陽風は何か？ ・・一点観測なので、全体の構造がわからない。

CME
CIR+HSS

大きな構造の中で、理解することが重要。
大きな構造（CME/CIR）の多点観測による３次元可視化は重要。

1. 宇宙天気の点から (磁気圏/電離圏物理から）＊宇宙天気予報/気候ということで知りたいこと
宇宙天気/宇宙気候-これからどのような太陽風やX線がやってくるかを知りたい（短期）＜サブストーム(オーロラ爆発）、磁気嵐＞-これから1年間の傾向を知りたい。
＜地磁気の半年周期＞-次の活動周期の様子を知りたい。
＜11年＞-(もっと長い時間スケールで）
このあと、太陽がどうなるのかを知りたい。

星の物理 (天文)2. 磁気圏と電離圏 (コロナと彩層 ?)Russell (1995)

磁気圏 (プラズマシート）：高温(>1 keV)・希薄 (< 1/cc)のプラズマ
β>1~ 磁気圏-電離圏結合領域 (磁場/プラズマ密度が急激に変化) ~電離圏：低温(~< 1 eV)・高密度 (> 10^6/cc)のプラズマ
β ~ 10^-7、非圧縮[電磁気的な結合] [物質的な結合]

2 電離圏 (衝突の支配する世界-彩層?)● 中性大気と電離大気の相互作用
中性:
イオン：

電子:
電場がかかっているとき プラズマが中性を動かす。
中性風がプラズマを動かす(中性風ダイナモ)● オームの法則 Conductivity

磁気圏から（オーロラ）降下電子 -> 中性大気を電離 -> conductivityが変化

2. 磁気圏-電離圏結合 (FACが重要)
磁気圏
J・E < 0 (ダイナモ)

E
上向きFAC

下向きFACJp
電離圏E

JhPoyting Flux
J・E > 0 (ロード)

電離圏から見たFAC (沿磁力線電流)・Pedersen電流が接続

磁気圏から見たFAC(B, Ρ, Pがconstant->inertial term dominant)・plasmaのシアー運動がFACを駆動
・Conductivityが変化。磁気圏-電離圏結合の強さも変化 (動的に変化)
・通常、地球では磁気圏側がダイナモ。木星では、電離圏側がダイナモになる。
太陽では、彩層がダイナモ？

2. 磁気圏-電離圏結合とオーロラスケール
静的結合
典型的な電離圏-磁気圏結合のスケールは、100km

100m-1kmのオーロラ[Trondsen]

100km以下のもっと細かいスケールのオーロラがある -> このスケールでFACが入ってきている。
・・・静的ではなく、動的に結合している
何が薄いオーロラを作り出しているか？ (オーロラ物理の最大の問題)

・電離圏のオーロラの空間スケール・・・磁気圏-電離圏結合メカニズムを反映
彩層に同様の構造はあるか？

2. 動的な結合 - Alfven wave
・ Dispersive Alfven Wave
斜め伝搬するAlfven wave
– 先端に平行電場 -> オーロラ電子加速

Ergun et al. (2006)
・ Alfven waveの起源 --- 磁気圏
・ 磁気圏-電離圏結合領域で、急速に背景プラズマの構造が変化 -> dispersionが変化 -> dispersive Alfven waveに

Chaston et al.(2008)

2. 動的な結合 - Alfven wave
・ Dispersive Alfven Wave

Chaston et al.(2008)
電子慣性長程度のスケールを持つオーロラはある？

・遷移領域の磁場、背景密度変化がdispersiveの起源として重要。
・太陽の場合のAlfven waveの起源は彩層？

2. 遷移領域におけるAlfven波動の反射

通常：・Alfven conductanceと電離圏conductanceの不整合-> インピーダンスミスマッチによるAlfven波動の反射
・磁気圏と電離圏の双方向communication
加速域がある場合：
・電離圏上端と加速域でAlfven speedが急速に変化 – Alfven 波動のtrapping
Ionospheric Alfven resonator2. 遷移領域におけるAlfven波動の反射
Ionospheric Feedback Instability –電離圏と加速域の間にAlfven waveが捕捉
narrow scaleの構造を作り出す。
(Σp/ΣA >>1、ΣAの勾配）
・・FACが強くなるにつれ、オーロラ(=FAC)がfilament化する
オーロラ爆発を促進する

Harendel (1994)

Liang et al.(2008)

Filament化するオーロラ -- Ionospheric Feedback Instabilityの証拠？

3. M-I研究から : 大きなスケールの中の小さな構造
・ネットとして、Upward/Downward 電流系の中に、小スケールのupward/downward電流が埋め込まれている.
マクロとしての電流の連続性とメソスケール/ミクロスケールでの電流の連続性。

Chaston et al. (2008)

・小スケールの構造が大きな構造を作り出す可能性はあるか？
inverse-カスケード？

Chaston et al. (2008)

3. M-I研究から : 能動的な電離圏
・電離圏は Poynting fluxをうみださない（地球では）しかし、能動的にシステムに影響を及ぼす・・ conductivityの変化を介して、電離圏・磁気圏結合（電流/加速域）を制御
・・磁気圏からの電子の降り込み等によって、conductivityが変化
・・Flywheel 効果

Flywheel効果 – 中性大気が電場を作り出す
1. 電場増加（磁気圏） : 電場増加(電離圏） : 電離圏プラズマ運動 -> 中性大気運動
2. 電場減少 (磁気圏） -> 電場減少（電離圏） -> 電離圏プラズマ減速 -> 中性大気は慣性運動を続ける
3.

<- 電場増大（電離圏）<- 電離圏プラズマ運動

3. M-I研究から : 過渡応答の重要性
・遷移領域のダイナミクスは過渡的(短い時間で発達し、終了）
・・オーロラ爆発の開始時に、新しい加速域が形成。5分ほどで終了
強いFACを引きこんでいる可能性 。
・・Transientな現象を見逃さないことが重要。

Morioka et al. (2008)

3. M-I研究から : 現在の地球の研究でできないこと
・磁力線に沿った・・構造（空間スケール、時間発展）
・・伝搬（波動、粒子）などが、磁気圏-電離圏結合に重要
しかし・・・、磁気圏のその場観測では、磁力線方向の変化は同時には追跡できない。
磁力線方向の波長構造などは不明。

？
オーロラを横から観測すれば見える？

4. むすびにかえて
・太陽の周期活動の起源、これからどうなっていくのか、というのは、自然な疑問。

・違うプラズマの系が結び付いた領域は、現象として多様性に富み、また系全体のダイナミクスを能動的に制御する重要な領域
乱暴な意見ですが・・・
・彩層 <-> 電離圏
・彩層 – コロナ結合 <-> 磁気圏-電離圏結合のアナロジーが成り立つ可能性も。

地球（磁気圏-電離圏結合領域）と太陽（彩層-コロナ結合領域）・パラメータが異なる。
・観測手法（その場観測/リモートセンシング）が異なる。

結合領域の物理を「相補的に」理解を深化させる可能性が十分。