情報システム工学専攻

2009 年度修士論文要旨

Akebono 衛星を用いた衛星電位 – 電子密度特性の調査
0855014 遠海 元
1. はじめに
地球の上層には，窒素や酸素などの分子や原子が電離することにより生じたイオンと自由電子からなる電離気体（プラズマ）粒子が存在している．電波伝搬

星電位と電子密度との間に良い相関は見られなかった．
これはバイアス電流値の設定が観測期間により異なるため，シングルプローブ法により計測される衛星電位の値が変動していることが原因であると考えられる．に影響を及ぼす電離気体粒子が存在する領域を電離圏（ionosphere）と呼ぶ．電離圏は高度 50 〜 1000 km の範囲に存在すると考えられている．さらにその上側で電離圏のプラズマが磁気圏に広がっている領域をプラズマ圏（plasmasphere）と呼ぶ．プラズマ圏のイオンの主成分は水素原子イオン（H+ ）で，スケールハイトが大きいため密度が高度とともに減少することがなく，磁気圏まで 103 /cc から 104 /cc の高い密度のプラズマ領域が広がる．また，プラズマ圏とその外側の電子密度が低い領域との境界をプラズマポーズ（plasmapause）と呼ぶ．
これまでの研究では，電子密度が 10 /cc 以下の磁気圏や太陽風領域における衛星電位と電子密度の関係に

図 1: Akebono 衛星による衛星電位 – 電子密度特性ついて調査され，衛星電位と電子密度の特性を示す実験式が導出された．しかし，電離圏，プラズマ圏などの電子密度が大きい領域の調査は行われていない．そ3. バイアス電流の設定による影響

こで本研究では，電離圏およびプラズマ圏領域を主に

Akebono 衛星では，バイアス電流の設定値を適宜設観測している Akebono 衛星により観測された衛星電定することができる．本研究ではこのバイアス電流の位と電子密度の特性について調査する．

設定が，衛星電位 – 電子密度特性に与える影響につ2. 衛星電位 – 電子密度特性いて調査する．図 2 は，バイアス電流の設定ごとに衛星電位 – 電子密度特性を色別にプロットしたものであ本研究で用いる衛星電位データは，電場計測装置かる．縦軸は電子密度，横軸は衛星電位である．図 2 よらシングルプローブ法により計測されている．シングり，Akebono 衛星の衛星電位 – 電子密度特性はバイア

ルプローブ法とは，適切なバイアス電流が印加されたス電流の設定値によって変化することが分かった．

プローブと衛星本体の間の電位差を計測する方法であ

次に，バイアス電流が正に印加されている期間，負る．Akebono 衛星では，プローブに印加されるバイアに印加されている期間，印加されていない期間においス電流値を ±0.13 µA の範囲で分解能 7 bit で設定すて，それぞれ衛星電位と電子密度の特性を調査する．

ることができる．また電子密度は，高周波域プラズマ

その結果，バイアス電流が負に印加されている期間で波動及びサウンダ観測装置によって観測された衛星周は衛星電位と電子密度の間に良い相関が見られ，それ辺のプラズマ波動スペクトル及び遠方より到来する電以外の設定の期間では良い相関が得られなかった．こ

磁波を用いて推定されている．本研究では，1989 年 5のため，衛星電位 – 電子密度特性を表す実験式の導出

月 1 日から 1990 年 8 月 31 日までの期間に観測されたには負のバイアス電流が印加されている期間のデータ

衛星電位および電子密度データを用いる．

のみを使用する．

図 1 は，1989 年 5 月 1 日から 1990 年 8 月 31 日までの期間における衛星電位 – 電子密度特性である．縦軸は電子密度，横軸は衛星電位である．図 1 からは，衛情報システム工学専攻

2009 年度修士論文要旨
1989/05/01~1989/06/01
1990/07/17~1990/07/24

バイアス電流
バイアス電流OFF

μA
μA
1989/07/14~1989/08/07 -0.067μA
1989/08/07~1989/08/09 +0.067μA

5. 電子密度空間分布図

1989/06/15~1989/07/05 - 0.017

図 4 は，負のバイアス電流が印加されている期間に1989/07/05~1989/07/14 - 0.059

おいて，実験式を用いて衛星電位から推定された電子密度を Akebono 衛星の軌道に沿ってプロットした電子密度の空間分布図である．色は電子密度の大きさを表している．また，地磁気座標系の X – Z 平面で表しており，X ＞ 0 が太陽方向，Z ＞ 0 が磁北方向である．
図 4 から，衛星が磁気圏領域に近づくほど電子密度が小さくなり，電離圏領域に近づくほど電子密度が大きくなることが分かる．このように，電子密度空間分布
図から Akebono 衛星の軌道上における電子密度の違

図 2: バイアス電流の設定値ごとの衛星電位 – 電子密いにより飛翔領域を知ることができる．

度特性

4. 実験式の導出
衛星電位 – 電子密度特性を表す実験式は，（1）式に示す 2 つの指数関数の和で示される関数を用いて，最小二乗フィッティングすることにより導出される．Neは電子密度，Vsp は衛星電位である．印加された負のバイアス電流は −0.017 µA，−0.059 µA，−0.067 µAの 3 つの期間に分かれており，各設定値についてそれぞれ実験式の導出を行う．

VspVsp) + c ∗ exp(−)(1)bd
図 3 は，導出された実験式によるフィッティング結Ne = a ∗ exp(−果である．青色が −0.017 µA，緑色が −0.059 µA，赤色が −0.067 µA の期間のフィッティング結果である．
縦軸は電子密度，横軸は衛星電位である．図 3 から，印加されたバイアス電流値により衛星電位 – 電子密度特性は異なり，バイアス電流値が負になるほど特性は図面右方向へと推移することが分かる．
－0.017μ0.017μA N－0.059μ0.059μA N－0.067μ0.067μA N

Vsp Vsp 7e = 6.0 × 10 × exp − + 129.7 × exp − 0.065  1.019 Vsp  Vsp 7e = 6.0 × 10 × exp − + 181.3 × exp − 0.078 
 1.081 

Vsp Vsp 
5e = 8.5 ×10 × exp − + 612.1× exp − 0.210  1.034 

図 4: 衛星電位によって推定された電子密度の空間分
布図

6. まとめと今後の課題
本研究では，負のバイアス電流が印加されている期間において，設定された電流値ごとに衛星電位 – 電子密度特性の実験式の導出を行った．また，導出された実験式および衛星電位を用いて，この期間の電子密度を推定し，空間分布図の作成を行った．結果として，バイアス電流が負に印加されている期間では，衛星電位から電子密度を推定することが可能であることが示された．
今後の課題として，本研究では調査できなかった電離圏およびプラズマ圏以外の領域で衛星電位 – 電子密度特性の実験式の導出を行い，Akebono 衛星が飛翔す

図 3: バイアス電流の設定別フィッティング結果

る全ての領域において衛星電位による電子密度推定が可能であるか調査する必要がある．