J. Plasma Fusion Res. Vol.97, No.5 (2021)２
６９‐２７５

小特集 ジオスペースと実験室におけるプラズマの波動粒子相互作用研究の進展

３．あらせ衛星によるジオスペースにおける波動粒子相互作用研究の進展
3. Recent Progress of Wave-Particle Interactions in the Space Plasma:Arase Observations
三 好 由 純，篠 原 育１），笠 原 禎 也２），松 岡 彩 子３），小 嶋 浩 嗣４）
MIYOSHI Yoshizumi, SHINOHARA Iku１）, KASAHARA Yoshiya２）,
MATSUOKA Ayako３）and KOJIMA Hirotsugu４）
名古屋大学宇宙地球環境研究所，１）宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所，
２）

金沢大学総合メディア基盤センター，３）京都大学大学院理学研究科，４）京都大学生存圏研究所（原稿受付：２０２０年１２月２２日）

ジオスペースと呼ばれる地球近傍での宇宙空間における相対論的電子の変動過程と，宇宙嵐をはじめとする
様々な擾乱過程においては，その場での詳細なプラズマ粒子および電磁場の直接観測が必須となる．しかし，強放射線環境のために，そのような観測の実現はきわめて困難であった．この問題の解決をめざして，２０１６年に「あらせ」と呼ばれる新しい科学衛星が JAXA によって打ち上げられた．「あらせ」衛星には 10 eV から MeV を超える広いエネルギー帯域と，直流から 10 MHz の広い周波数帯域の電磁場を計測する機器が搭載されており，これまで数多くの科学成果を上げてきている．本章では，特にプラズマ波動粒子相互作用に焦点をあてて，「あらせ」衛星の最新の科学成果を紹介する．
Keywords:
Arase satellite, geospace, van allen belts, whistler mode, cyclotron resonance, fast mode３．
１ はじめにト，プラズマシートと呼ばれるエネルギー階層の分布が存

地球は固有磁場をもつ惑星であり，太陽からの超音速プ在している．この領域は，圧力あるいはプラズマベータにラズマ流である太陽風，及び太陽に起源をもつ惑星間空間寄与している．さらに低いエネルギー階層では，プラズマ磁場（Interplanetary Magnetic Field: IMF）との相互作用圏と呼ばれる地球の超高層領域に存在する電離圏に起源をを通して，磁気圏と呼ばれる領域を形成している．磁気圏もつ冷たい（1 eV 以下）高密度のプラズマが存在する．

においては，1 eV 以下から 1 MeV を超える幅広いエネルギー帯のプラズマ粒子が存在し，太陽や太陽風の変動に応じて，活発な変動を繰り返している．この磁気圏には，
ULF 帯から HF 帯の幅広い周波数帯において，様々なプラズマ波動が存在している［１］．
磁気圏のプラズマ粒子は，その平均自由行程が極めて長いため，粒子間の衝突は起こらず，無衝突プラズマ系を構成している．したがって，磁気圏のプラズマ粒子のダイナミクスにおいては，プラズマ波動との波動粒子相互作用が重要な役割を担っていると考えられている．
磁気圏において，特に静止軌道（高度 約 36,000 km）よりも内側の領域を内部磁気圏と呼ぶ．図１は，内部磁気圏におけるプラズマ粒子の分布を地球からの距離とエネルギーの関数として示したものである［２］．数百 keV を超え
図１るエネルギー帯には，放射線帯（ヴァン・アレン帯）と呼ばれる高エネルギーの電子，イオン群が存在している．同じ場所において，数 keV から〜100 keV にはリングカレン
Institute for Space-Earth Environmental Research, Nagoya University,Graduate School of Engineering, Nagoya University, NAGOYA 464-8601, Japan２６９

内部磁気圏における各エネルギーのプラズマ粒子の分布を地球からの距離（横軸）とエネルギー（縦軸）で表したもの．図中の Fast mode 波動，whistler mode 波動は，それぞれ加速に関わる波動を示す［２］．
corresponding author’s e-mail: miyoshi@isee.nagoya-u.ac.jp!2021 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.97, No.5 May 2021

太陽風や IMF の状態は時事刻々と変化しており，特に強れて以来，放射線帯を構成する主要な加速過程と考え

い南向きの IMF や速い太陽風の到来に伴って，磁気圏ではられ，木星や土星といった他の惑星放射線帯において電磁環境擾乱が発生する．南向きの IMF が到来した際にも支配的な加速過程と考えられてきた．一方，１９９０年

は，サブストームと呼ばれる状態が発生し，北極や南極地代末より，周波数方で１−２時間にわたるオーロラの爆発的な増光が起きたによるサイクロトロン共鳴による電子の加速がクローり，磁気圏の夜側領域から内部磁気圏に向かって高温プラズアップされてきた．以下にサイクロトロン共鳴条件ズマの注入が起こる．これに対して，さらに強い南向きのを示す．

IMF，また高速の太陽風が到来すると，宇宙嵐（Geospace

数 kHz のホイッスラーモード波動

#!!
$"#!
"

Storm）が起こる．宇宙嵐は，数日間にわたって続く現象で（２）あり，数十 keV のイオンのフラックスが増大し，内部磁気ここで，#はホイッスラーモード波動の周波数，!

圏のプラズマ圧力の上昇に伴って，強い反磁性電流が流れる．これがリングカレントと呼ばれる電流であり，平均的は波数，$は電子の速度，! はサイクロトロン周波数，"はローレンツ因子，#は整数である．本小特集にも掲には西向きに流れる電流によって南向きの磁場が発生し，載されているが，その後の理論的な研究によって，ホ地球表面の北向き磁場を減少させる．リングカレントが増

イッスラー波動のうち，周波数変調を伴う非線形の大している期間を磁気嵐主相，増加したリングカレントがコーラス波動と電子との相互作用による電子の加速過減少している期間を回復相と呼ぶ．

程についての研究も急速に進められ，従来考えられてきたよりも短い時間スケールにおいて，相対論的なエ

３．
２ 放射線帯を作り出す波動粒子相互作用ネルギーを持つ電子の形成が可能であることも指摘さこの宇宙嵐の時，放射線帯の相対論的なエネルギーをもれてきた．

つ電子は極めて不思議な変化を示す．まず，宇宙嵐の主相

この過程においては，ホイッスラーモード波動の励において，放射線帯の相対論的電子群は消失する．その後，起は，リングカレントやプラズマシートを構成する数宇宙嵐の回復相において，放射線帯の電子は，宇宙嵐開始keV から数十 keV のエネルギー帯の電子の温度異方前の状態に回復，そしてしばしば宇宙嵐開始前よりも大き性，およびその後の非線形発展によって励起する．さなフラックスを示す．これは，相対論的電子を作り出す加らに，1 eV 以下の冷たいプラズマが背景媒 質 と し速機構が磁気圏に存在していることを意味している．て，波動の分散関係や共鳴条件を変化させるため，無衝突プラズマ系であるジオスペースにおいては，プラ

1 eV から放射線帯の MeV にいたる６桁以上の異なるズマ波動と電子との相互作用が，放射線帯を構成する相対エネルギー階層のプラズマ粒子群がプラズマ波動を介論的エネルギーを持つ電子の加速や輸送，さらには消失過して，動的に結合するエネルギー階層間結合が起きて程に重要な役割を担っていると考えられてきた．

いる［３］．

以下に，主要な波動とその役割についてまとめる．

（消失過程）（加速・輸送過程）①①太陽風の動圧の変化に伴う昼側の磁気圏形状の変化

向輸送や，磁気再結合による磁気圏の磁力線の惑星空間磁場磁気圏においては，太陽風の変化に起因して周期数へのつなぎ代わりなどによって，放射線帯に捕捉され分の Fast モードの波動が存在する．また，リングカレていた電子が惑星間空間に消失することが考えられてントを担うイオンの不安定性によっても，この Fastいる．これまで，この過程で相対論的電子が惑星間空モードの波動の励起が起こる．この Fast モードの周波間に流出していることは実証されていないが，多くの数 #とその経度方向の波数（モード数）" が，電子の傍証から，放射線帯の消失過程の有力な機構とされてドリフト周期#!と，以下の関係を満たしているときにいる．

ドリフト共鳴が起こり，電子の動径方向の加速が起こ

②

る．
#""#!

②

惑星間空間への粒子の流出

MHD/Fastモード波動とのドリフト共鳴による動径方プラズマ波動によるピッチ角散乱による大気への消失
ホイッスラーモード波動や，電磁イオンサイクロトロ
ン波動と電子とのサイクロトロン共鳴によって，磁力（１）線をミラー運動していた電子のピッチ角散乱が起こ

この相互作用においては，電子の第一，第二断熱不変り，ロスコーンへと降り込むことで，大気へと消失す量は保存し，第三断熱不変量のみが破れた状態で輸送

る．数 keV，数 十 keV の 電 子 が 降 り 込 ん だ 場 合 にが起こる．そのため，磁場強度が強い方向へ輸送が起は，ディフューズオーロラや脈動オーロラといった発こると，ベータトロン加速によって，電子が加速され，光現象を伴う．一方，相対論的電子の場合には，オー放射線帯の電子群の構成に寄与すると考えられてきてロラが発光しているよりもさらに低高度の中間圏と呼いる．

ばれる領域まで降り込み，その場所の大気化学組成をホイッスラーモード波動とのサイクロトロン共鳴によ変化させることが指摘されている．

る加速
上記の①の過程は，放射線帯が１９５０年代末に発見さ
２７０

Special Topic Article

3. Recent Progress of Wave-Particle Interactions in the Space Plasma: Arase Observations

３．
３ 「あらせ」の挑戦

Y. Miyoshi et al.

上げ，放射線帯，そしてジオスペースの変動現象の直接観

３．
２章で示したように，放射線帯電子の変動機構，特に加測をスタートした［２］．

速過程においては，１９９０年代末に新しい加速機構が提案さ

特に「あらせ」は，小型・軽量化と耐放射線向上というれ，ホイッスラーモード波動を介した異なるエネルギー階相反する困難な課題を独自の技術と工夫で解決し，放射線層間の結合過程の重要性が指摘されてきた．しかし，放射帯中において，数十 eV から数 MeV にいたる広いエネル線帯の中での人工衛星による科学計測は，放射線による衛ギー帯のプラズマ粒子の３次元速度分布関数観測，直流か星の障害や，計測する信号への雑音混入からきわめて困難

ら 10 MHz までの広い周波数帯の電場と磁場観測に世界でであり，実現してこなかった．

初めて成功した．観測機器群の詳細は，各観測機器に関す放射線帯電子の加速過程と宇宙嵐の解明を主目的として，２０１２年に米国る論文（［４‐１５］）を参考いただきたい．

特に粒子分析機

NASA は，"Van Allen Probes"と呼ばれ器においては，従来の粒子分析器の角度分解能が２２度程度る人工衛星を，そして２０１６年末に JAXA 宇宙科学研究所であったのに対し，特定のエネルギー帯，特定の方向につは，「あらせ」と呼ばれる人工衛星（図２）をそれぞれ打ちいては５度以下の角度分解能での観測を実現することに成功している．さらに，データ伝送量の関係から，従来の科学衛星におけるプラズマ波動観測は，周波数スペクトル観測が主であったのに対し，「あらせ」衛星は，Wave FormCapture と呼ばれる高いサンプリングレートでの波形観測のモードを有し［１０］，テレメトリの許す限りの波形観測データの受信を実施してきている．
図３に，「あらせ」衛星が観測した内部磁気圏における様々なプラズマ波動の例を示す．プラズマ圏の中に出現する周波数数 kHz のホイッスラーモードであるヒス波動，プラズマ圏の外で発生する非線形ホイッスラーモード波動，また，イオンに関係した波として，Equatorial Noise（イオンバーンスタイン波動），電磁イオンサイクロトロン波動，また，周期数分の MHD Fast モード波動が示されている．
「あらせ」衛星は，打ち上げ以降，多くの科学成果をあ

図２

内部磁気圏を観測する「あらせ」衛星の想像図［２］．

げてきているが，ここでは，紙幅の関係から「あらせ」衛

図３ 「あらせ」衛星が観測したプラズマ波動の例［２］．

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星による成果のうち一部をとりあげて紹介する．

滅する脈動オーロラと呼ばれるタイプのオーロラは，この３．
３．
１ ホイッスラー波動による高エネルギー電子生成過程

ホイッスラー波動によって，電子のピッチ角散乱が起こ

図４に，「あらせ」が観測したホイッスラー波動によっり，その結果磁力線に沿って大気へと降り注いで発生するて，電子が加速されている例を示す．左側に示した周波と考えられている．

数−時間ダイアグラムから，「あら せ」が ホ イ ッ スラー

磁気圏においては，ロスコーンの角度は数度ときわめてモード波動の出現を観測していることがわかる．この前後狭い角度であり，従来の粒子検出器では，そのような小さの期間を（a）‐（d）とした際の分布関数の変化を右側に示な角度を分解することができないために，実際にピッチ角

す．（a）がホイッスラー波動出現前，（b）‐（d）がホイッス散乱が起こって，大気へと電子が降り込んでいく過程は実

ラー波動出現後の電子の分布関数の変化である［１６］．（a）証されていなかった．これに対して「あらせ」は，これまと（d）を比べた際に，（a）の図には見られていない成分がでにない高い角度分解能を持つ電子分析器を搭載し，この出現している．この新たに出現した成分は，同時に観測さ電子を直接観測することに世界で初めて成功した［１８］．

れたホイッスラー波動の周波数特性から予想されるエネル

図５に，「あらせ」が高度 30,000 km 付近で，観測したホギーに一致しており，ホイッスラー波動が電子を加速しイッスラー波動を示す．波動が間欠的に出現したり消えたて，電子量を増加させたことを意味する．このようにホりしていることがわかる．図５の中はロスコーン方向，イッスラー波動によって，宇宙空間で電子が加速されてい図５の下はロスコーン外の磁力線に捕捉されている電子のる実証的な証拠は，世界ではじめて「あらせ」によって得分布を示す．磁力線方向，すなわちロスコーン内部の電子られたものである．さらに，この加速過程の素過程を明らは，波動にあわせてその強度が変わっていることがわかかにするために，「あらせ」が観測したホイッスラー波動る．一方，ロスコーンの外の電子は，変化が見えていない．と電子の分布関数を初期条件としたシミュレーションが行

磁気圏ホイッスラー波動は，可聴帯の電波であり，音声信

われ，位相空間におけるホイッスラー波動による phase号に変換すると小鳥の声のように聞こえるため，「宙のさtrapping が，このような強い加速を引き起こしていることえずり」と呼ばれている．このとき，「あらせ」と磁力線でが実証された［１７］．

つながったカナダ上空では，明滅するオーロラが観測され３．
３．
２ ホイッスラー波動による電子のピッチ角散乱の実証ており，コーラス波動との共鳴によって，ロスコーンに散次の例は，同じくホイッスラー波動が，電子を散乱させ乱された電子が脈動オーロラを起こしていることが世界でてオーロラを起こしている事例である．オーロラは，磁気初めて実証された．

圏の電子が地球の超高層大気に降り込んで起こる発光現象

この過程を，さらに詳しく調べるために，私たちは，北である．オーロラには，いくつかのタイプがあるが，ディ極域に超高速オーロラ撮像ネットワークを構築してきたフューズオーロラと呼ばれる淡いオーロラや周期数秒で明［１９，２０］．コーラス波動は，周波数の上昇を伴う継続時間数

図４ 「あらせ」衛星が観測したホイッスラーモード波動による電子加速の例．（上図）「あらせ」衛星が観測したプラズマ波動の周波数‐時間ダイアグラム．（左下）波動が発生する前の電子の分布関数．横軸にピッチ角，縦軸にエネルギーを示す．（右下）波動が発生した
後の電子の分布関数［１６］．

２７２Special Topic Article

3. Recent Progress of Wave-Particle Interactions in the Space Plasma: Arase Observations

Y. Miyoshi et al.

百ミリ秒のエレメントが，１秒間に数回出現し，かつそのせ」衛星は，磁気圏の朝 側 の 領 域 を，Van Allen Probes

ような現象が数秒間続いてバーストと呼ばれる構造を形成

衛星は，同じドリフトシェル上（L 値）の夕方側の領域におすることが知られている．
「あらせ」とこれらのオーロラいて観測を行っていた．両方の衛星とも，周期数分での電高速撮像との比較研究から，数秒ごとに明滅する脈動オー

子フラックスの変調過程を観測しているが，特に「あらせ」ロラ，その中で１秒間に数回瞬くオーロラの変調が，コー

衛星の方では，エネルギーによって位相が異なるエネル

ラスバースト，そして一つ一つのコーラスエレメント構造ギー分散構造が見えている．これは，変調されている領域に対応していることが明らかになった［２１］．

が「あらせ」とは異なる経度帯にあり，そこから「あらせ」３．
３．
３ MHD 波動による高エネルギー電子変調過程の場所までドリフトしてきた電子が，高エネルギーから先ホイッスラーモード波動と電子との相互作用に加えて，に到着していることを示している．一方，磁場の変動につ「あらせ」は MHD 波動との相互作用についても多くの科学

いては，Van Allen Probes 衛星では，粒子の変調に同期し成果をあげている．

た変化が見えているものの，「あらせ」では有意な磁場の図６は，「あらせ」衛星と米国の Van Allen Probes 衛星変調が見えていない．これは，磁場によるドリフト共鳴がの同時観測にもとづく観測結果である．このとき，「あら起きている場所が，Van Allen Probes 周辺に局在化してい図５ （上）「あらせ」が観測したプラズマ波動の周波数‐時間ダイアグラム．間欠的に発生する波動が，ホイッスラーモードコーラス波動．
（中）「あらせ」が観測したロスコーン内の電子のエネルギー‐時間ダイアグラム．（下）「あらせ」が観測したロスコーンの外の電子のエネルギー‐時間ダイアグラム［１８］．

図６（左上）Van Allen Probes 衛星が観測した相対論的電子のフラックスの時間変化．（左下）同衛星が観測した背景磁場の変化．（右上）「あらせ」衛星が観測した相対論的電子のフラックスの時間変化．
（右中）同衛星が観測した背景磁場の変化．（右下）同衛星が観測した電場の変化．このとき，Van Allen Probes 衛星は夕方側に，「あらせ」衛星は朝側で観測を行っていた［２２］．

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Journal of Plasma and Fusion Research Vol.97, No.5 May 2021

ることを意味している［２２］．これまで，相対論的電子のドこの観測を活かすと，「あらせ」衛星に対して離れた場所

リフト運動と MHD 波動との共鳴についての報告は行われに旋回中心を持つイオンを方向ごとに分けることで，たとていたが，その相互作用が起きている経度幅については，

えば「あらせ」に対して地球側に旋回中心を持つイオンと，単一の衛星観測では困難であるためわかっていなかった．

反地球側に旋回中心を持つイオンの分布の違いを調べるこ「あらせ」衛星と Van Allen Probes衛星という２つの衛星がとが可能になる．

同時に同じドリフト軌道を異なる経度帯で観測するという

図７に，「あらせ」衛星が計測した 109.6 keV のプロトン好機を活かした観測によって，はじめて，ドリフト共鳴がの動径方向の勾配，ならびにエネルギー方向の勾配を示す起きている経度帯が局在化していることが明らかになっ［２４］．このとき，「あらせ」衛星は強い Fast mode 波動をた．

観測していた．動径方向の勾配からは，地球方向に勾配が３．
３．
４ イオンによる MHD 波動の励起あること，またエネルギースペクトルからは，40 keV/q

磁気圏における Fast モード波動 は，太 陽 風 の 変化にから 100 keV/q にかけて bump があることがわかる．成長伴った磁気圏界面で磁気音波が励起するプロセスの他，率の計算から，観測された Fast モード波動は，イオンの分数十keVのイオンの持つ不安定性で励起する可能性が指摘

布の空間勾配によって成長していることが示され，内部磁されている．

気圏の Fast mode 波動の励起には磁気圏のプラズマ不安定性も寄与していることを実証した．なお，この励起過程に経度方向をドリフトするイオンと Fast モード波動の共ついては，ドリフト運動論に基づくシミュレーション［２５］

鳴条件は!!%!"#"!!
で与えられる．ここでによっても同定されている．

（３）!!はイオンのバウンス周期，"

３．
４ むすびにかえては整数である．イオンの持つプラズマ不安定性で，Fast本章では，紙幅の都合で，「あらせ」の観測結果の，ごくモードの波動が励起する場合，分布関数 $のエネルギーお

一 部 の 成 果 し か ご 紹 介 で き な か っ た が，「あ ら せ」よび空間（動径方向）の勾配構造が重要となる．

は，２０１６年の打ち上げ以来，順調に観測を継続しており，$ "! "$"$ "#"# "# "!
"# "多くの新しい成果をあげ，ジオスペースの描像を大きく変えつつある．特に，MHD 波動，イオンサイクロトロン波（４）動，ホイッスラー波動と，様々な周波数帯におけるプラズ

そのため，このエネルギー方向および空間方向の勾配を計

マ波動との粒子との相互作用について，これまでの衛星で測することによって，どの項が実際の波動の成長に寄与しは実現されてこなかった精密な観測に成功し，波動の励起ているかを特定することが可能となる．

過程や粒子の加速，散乱過程の実証を行っている．また，「あらせ」衛星は，10 eV/q から 180 keV/q までの各種の磁気圏では，プラズマ周波数とサイクロトロン周波数の比イオンについて３次元速度分布関数を行っており，イオンやイオン組成が場所や太陽風の状況によって大きく変化

サウンディングと呼ばれる手法を用いることで，ジャイロし，様々な波動の分散関係の状態における波動粒子相互作運動をしているイオンのジャイロ位相も特定可能である．

用が発現している．このような波動粒子相互作用過程は，

図７ （左）「あらせ」衛星が観測した 109.6 keV のエネルギーのイオンの空間分布．横軸は地心距離，縦軸は位相空間密度を表す．ここでは，イオンサウンディングという手法を用いて，「あらせ」よりも地球側と反地球側に旋回中心を持つイオンの空間分布を導出している．（右）イオンのエネルギースペクトル．横軸がエネルギー，縦軸が位相空間密度．（下）「あらせ」衛星が観測した Fast モード波動
［２４］．

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Special Topic Article

3. Recent Progress of Wave-Particle Interactions in the Space Plasma: Arase Observations

Y. Miyoshi et al.

［２］Y. Miyoshi et al., Earth Planet Space 70, 101 (2018).
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［５］S. Kasahara et al., Earth Planet Space 70, 69 (2018).
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［７］N. Higashio et al., Earth Planet Space 70, 134 (2018).
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［９］Y. Kasaba et al., Earth Planet Space 69, 174 (2017).
［１０］S. Matsuda et al., Earth Planet Space 70, 75 (2018).
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［１３］A. Matsuoka et al., Earth Planet Space 70, 43 (2018).
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［２２］M. Teramoto et al., Geophys. Res. Lett. 46, 11642 (2019).
［２３］D. Southwood et al., Planet. Space Sci. 17, 349 (1969).
［２４］K. Yamamoto et al., Geophys. Res Lett. 45, 6773 (2018).
［２５］T. Yamakawa et al., Geophys. Res. Lett. 46, 1911 (2019).
［２６］Y. Takeshita et al., J. Geophys. Res. 126, e2020JA028216

エネルギー階層間結合を通して，磁気圏における広いエネルギー帯の粒子群のダイナミクスに影響を与えるとともに，大気への降り込みなどを通して，異なる領域間の結合も引き起こす．
「あらせ」計画を含む ERG プロジェクトにおいては，衛星観測と地上観測との連携観測によって，異なる領域における結合過程の研究を進め，波動粒子相互作用が，磁気圏，そして電離圏や大気圏にどのような影響を及ぼすかの実証的な研究を進めている［２］．さらに，ERG プロジェクトでは，シミュレーション研究も活発に進められており，「あらせ」が観測した波動粒子相互作用について，素過程また磁気圏全体におけるシミュレーションなどが行われている［２６］．
現在，「あらせ」は打ち上げ４年目を迎え，順調にジオスペースの探査を行っている．２０２０年からは，第２５太陽活動周期がはじまり，今後，太陽の擾乱に伴う宇宙嵐の発生頻度も上がっていくことが期待される．引き続き，様々な観測を実施し，ジオスペース，そして宇宙プラズマにおける波動粒子相互作用の研究の進展に大きく貢献できることが期待される．

参考文献(2021).

［１］Y. Ebihara and Y. Miyoshi, IAGA Special Book Series(Springer, 2011).

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