電離圏電気伝導度とChapman理論
家田章正（名大STEL)
目的：
電気伝導度の太陽天頂角依存性を、理解する。
Zenith

結論：
Chapman理論に基づき、近似式を導出：
1
2

P  P ,0 cos E-region C cos   10H / P  H / P   dH / dh
GroundIeda, A., et al., JGR, 2014.
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16:40-17:00, 2015/2/17（金）, IUGONET@京大セミナーハウス

電離圏電気伝導度
昼側dayglow

電気伝導度 Σ 電流の流れやすさ。
→ ∝電子密度。
 電場 E と電流 J を、オームの法則J = Σ Eにより関係づける。

電流 J

 定常でのイオン・電子の運動方程式。
→ 電離層の本質。

電場 Eaurora

夜側Polar/VIS, U of Iowa
2電離圏の電気伝導度:
Conductivity:j  n vi  ve   P E  H E× B  en  e e  i i  P B   2   2  2   2  eeii 2
i 2 en  e 2H   222
B  e  e
i  i 

磁場・中性との衝突項。
 電子密度

ピーク高度が異なる。
Ped ~ 120 km
Hall ~ 110 km
WDC-Kyoto

Conductance:
300
conductivityの高度積分：   80km dh
この量の、太陽天頂角依存性を理解したい。
3電気伝導度の、太陽放射(F10.7)・太陽天頂角依存性：
Moen and Brekke (1993):

0.81 cos   0.93 cos  P  Sa 0.49 0.34 cos   0.54 cos 
Sa=148電気伝導度

Sa=199

H  Sa 0.53

 EISCATレーダー観測。
 電気伝導度を、F10.7と太陽天頂角で表す。
 2つのChapman層を想定。
 関数の形が、理論的におかしい。

Sa=248

太陽が頭上

太陽が地平太陽天頂角 線に近い実測された電気伝導度。
理論値より小さい。
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大規模データ解析の意義：
多様な、時間・空間・物理量のデータ。

定性的な相関関係を発見。
Solar-maxでは増えるなど。

ロバストな経験式。
実用目的。

ロバストな理論の同定。
理屈っぽい関数。

今日の話は、こちら。
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Chapman theory of electron productions:
ZenithAssumption:
 hHydrostaticpn  pn ,0 exp   H 
neutral atmos.:

Neutral atmos.
GroundSolar radiation:dI nn    IdsdI
Electron production: q  C ds

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Chapman theory on the SZA dependence:
Chapman’s electron
production rate:1
q  qm,0 exp 1  z 
exp z cos wherezh  hm,0H

Peak production rate:

q max   q max,0 cos Peak height:

z max    log cos 7

Chapman theory on the SZA dependence:
Solar-EUV-associated electrons:
Equilibrium:

Production  LossZenithLoss rate:
E-region: (Chapman-  )LE  N e 2  N e,max  cos (classic)

E-region
Ground8

Chapman理論による、電子密度（E層）
最大密度： n max  cos 
夜に近づくと、その高度hmは高くなる。

太陽天頂角が80度(地平線近く)での、電子密度プロファイル。

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高度積分した電気伝導度の、太陽天頂角依存性
過去の研究： Vickrey+ 1981

  cos   n max
Chapmanのピーク電子密度のみで、高度積分値を表現。

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高度積分した電気伝導度の、太陽天頂角依存性
過去の研究： Vickrey+ 1981

  cos   n max
Chapmanのピーク電子密度のみで、高度積分値を表現。
疑問：
 厚み一定と仮定。
 max  n max と仮定。

P ,max の高度n max の高度11天頂角依存性の新解釈：

電気伝導度の高度プロファイル。

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天頂角依存性の新解釈：

電気伝導度の高度プロファイル。

天頂角が上がると、n max 高度が上がる。

n max

E層上部では、電子密度は、ほぼflat。
→ だから、 P,max  n max

13天頂角依存性の新解釈：
Hall層の厚み

Ped層の厚み
電気伝導度の高度プロファイル。

天頂角が上がると、
n max 高度が上がる。
→ Hall層のみ薄くなる。
→ Hall伝導度は、急激に下がる。

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高度積分した電気伝導度の、太陽天頂角依存性
過去の研究： Vickrey+ 1981

  cos   n max
Chapmanのピーク電子密度のみで、高度積分値を表現。
疑問：
1. 厚み一定と仮定。
2. max  n max と仮定。

P ,max の高度
n max の高度本研究： Chapmanのピーク高度で、Hall層の厚みを表現。

1
2




1. Chapmanのピーク高度で、cosPP,0Hall層の厚みを表現。
2. E層topsideで電子密度一様。  /   C  C cos  HP
1
2
3. 中性大気のスケールハイト
Hの高度変化   dH / dh を考慮｡
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

Chapman theory on the SZA dependence:zh  hm,0H

production rate:

なぜスケールハイトが関係あるか：
中性大気の圧力プロファイルは固定。
-> 上方ほど温度が高いと、密度は低い。
-> 電子生成率が変る。

Ideal Chapman:
1exp z q  qm,0 exp 1  z cos 
Modified Chapman (variable neutral scale height):d1H1  z q  qm,0 exp 1 expzdh cos 
16プラズマ生成率

密度 (E領域)
Chapman理論の補正:
中性大気のスケールハイトの、高度変化による効果。
スケールハイトが、高度と伴に長くなる場合。

最大密度は低くなり、最大密度の高度は高くなる。

17過去の研究について：Senior (AG, 1991)
伝導度に、Chapman理論は関係無いことを主張したが、式が間違い。
Original paper: (in error)
Should be:
Chapman production rate:q  qm exp 1  x  ex / cos whereqm  cste  cos 

Chapman production rate:

 Not qm but shoud beqm,0  const

Conclusion:
Not Chapman-peak-like:

Conclusion:Hall is modified Chapman-like:H  cos H  cos 1.1

P  cos 0.80.6

P  cos 0.318

Conductance (mhos)

過去の研究について: Moen, Brekke: 2つのChapman層
Moen and Brekke (GRL,1993):

EISCAT radar

Brekke and Hall (AG, 1988):

P  3.05 cos   4.06 cos H  6.28 cos   2.85 cos F-type

E-typeSolar Zenith Angle (deg) 伝導度について、F層の寄与が、E層の寄与と同等でおかしい。
 F2層の電子ピークが、電子生成ピークであると、勘違いしている。
 独立変数に相関があるので、純粋経験式としても好ましくない。
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まとめ：電離圏電気伝導度の太陽天頂角依存性
1. 古典的には、電気伝導度は、Chapman理論の最大電子密度だけで記述されてきた。厚みなどは議論なし。
2. その後、Chapman理論で電気伝導度が記述できるか否か、二流派があった。→ どちらも勘違い。
3. 本研究では、E層topsideで、Chapman理論を修正すれば良いことを示した。
4. また、二流派の混乱の、他の原因は、・Hall層の厚みの変化
・中性大気スケールハイトの無視であることを議論した。

ZenithE-region
Ground20

16:40-17:00, 2015/2/17（金）, IUGONET@京大セミナーハウス

 Chapman電離層についての、最先端の議論。
イオノゾンデから、単純に推定した、中性大気スケールハイトの上向き勾配。

太陽光が多波長であることを考慮した、正しい値は、小さい。

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中性大気温度
高度110kmと120kmの、温度差： 米国標準大気1975モデル： 120 K (Γ= dH/dh = 0.4)
 前田憲一先生のイオノゾンデ： 60 K (Γ= 0.2)
 前田憲一先生の修正値：
40 K (Γ= 0.13)
 過去の文献では、大気モデルとイオノゾンデ観測の、違いについての、議論は見当たらない。
 前田先生の修正によると、さらに違いは大きい。
 前田先生の修正について、引用が見当たらない。
→ E層密度の高度プロファイルの基礎が確定していない。
→ 何かご記憶の方？
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