磁場モデルを用いた内部磁気圏衛星の電離圏における位置の同定とオーロラ画像解析*稲葉裕大1, 塩川和夫1, 大塚雄一1, 大山伸一郎1,2,3
1. 名古屋大学宇宙地球環境研究所, 2. Univ. of Oulu, Finland, 3. 国立極地研究所

Outline
・ 研究概要・ 画像解析
・ 衛星位置の電離圏への投影
・ まとめ

2

研究概要

OMTI : 全天カメラ(地上観測用装置)

あらせ衛星 (ERG): 内部磁気圏観測衛星

http://www.isee.nagoya-u.ac.jp/dimr/PWING/en/

テーマはサブオーロラ帯のオーロラについて、地上全天カメラと内部磁気圏衛星あらせを用いて、ソース領域での電磁場や粒子の変動を明らかにすること。
⇨現在はSAR arcと呼ばれるオーロラについて解析中

研究概要①電離圏で生じるオーロ
ラは、全天カメラで観測①オーロラ粒子のソース領域での電磁場や粒子の変動を観測している。

Earth②磁場モデル (IGRF, Tsyganenko)を用いて電離圏にトレースし、オーロラ上空に衛星があるかどうかを判断研究概要
72.5200●全天カメラで得られた画像を地理座標に変換したmovie
青い点…footprint (磁力線に沿って電離圏までトレースした衛星の位置)

Geographical latitude[deg]

衛星を電離圏に投影した例

E

52.0800
35.6800

15.2400
Geographical longitude
[deg]

研究概要
電場スペクトル(HFA)
プロトンエネルギーフラックス

Plume
Plasmapause
Ring current proton

Electron in plasma sheet

電子エネルギーフラックス
電場 (SM座標)

衛星電位

この発光輝度の位置によって注目すべき、衛星データの時間帯が変化してしまう

衛星位置でのオーロラ・夜間大気光の輝度と、衛星が観測した電磁場や粒子を比較することで、ソース領域の様子が確認できる

磁場 (SM座標)
あらせ衛星のフットプリント
における630.0nmの発光
輝度

様々な種類のオーロラについて、発生メカニズムを理解するために重要なプロセス発表内容
この発光輝度の位置は何によって変わるか。
・オーロラの画像の解析の仕方。
・衛星を電離圏に投影する際の誤差。

・これらの誤差が解析にどのような影響を与えるか検証。
・同時に解析手法についても説明。

Outline
・ 研究概要・ 画像解析
・ 衛星位置の電離圏への投影

・ まとめ

8

画像解析
衛星の位置を明らかにするためには、まず全天カメラの生画像を地理座標系に変換する必要がある。

North latitude [deg]72.5200

生画像

52.0800
15.2400

East longitude [deg]35.6800

地理座標変換後の画像

画像解析

全天カメラ固有の値☞計算すれば決まった値が出てくる～地理座標変換の流れ～① 生画像に写っている星の位置から、天頂のピクセル位置(𝑥0 , 𝑦0 )と画像の半径のピクセル数𝑎, 回転角𝜑 (生画像の真上が真北とどれくらいずれているか)を求めることができる。
② 天頂の位置がカメラ設置場所の緯度経度と同じであるから、 画像半径𝑎,回転角𝜑に加え、オーロラ・夜間大気光の発光の仮定高度ℎをinputすると、生画像のそれぞれのピクセルが、どの緯度経度に対応するかが分かる。
自身で妥当な値を72.5200
仮定する必要性☞誤差が生じやすい𝑎North latitude [deg]

天頂のピクセル位置(𝑥0 , 𝑦0 )天頂

52.0800
15.2400

生画像

East longitude [deg]

地理座標変換後の画像

35.6800

画像解析

仮定高度によってどれくらいの変換の違いが見えるか

仮定高度400km

生画像

North latitude [deg]72.5200

52.0800
15.2400

仮定高度120km

East longitude [deg] 35.6800

仮定高度300km
72.5200

North latitude [deg]North latitude [deg]72.5200

画像の端の割合が増えていく

52.0800
15.2400

52.0800

East longitude [deg] 35.6800

15.2400

East longitude [deg] 35.6800

画像解析
仮定高度120km, 300km, 400kmでのあらせ衛星のフットプリントにおける輝度値にもズレが生じる。

発光輝度の大きなずれ

200Rほどの差

木の影の影響木の影の影響

注目したいオーロラ・夜間大気光の輝度値の場所がずれる。仮定高度は重要なパラメータ&できるだけ正確に与える必要あり。

Outline
・ 研究概要・ 画像解析
・ 衛星位置の電離圏への投影

・ まとめ13

衛星位置の電離圏への投影

Earth

衛星を電離圏までmappingするためには、磁場モデルを用いる必要がある。
・IGRF model [e.g., Erwan Thebault et al., 2015]
・Tsyganenko model (T89, T01, T04S etc)
[Tsyganenko, 1989; Tsyganenko, 2002a, 2002b; Tsyganenko and Sitnov, 2005]☞これらのモデルはツール”GEOPACK”で用いることができる。
(http://ampere.jhuapl.edu/code/idl_geopack.html)

衛星位置の電離圏への投影
磁場モデルの種類●IGRF model
ガウスの球関数を用いて地磁気のスカラーポテンシャルを展開して得られる。
展開係数として、世界各地の地磁気観測点、航空機、船舶による観測、人工衛星によって得られた観測データに対して関数との差が最小になるように決定される。(WDC Kyotoより)☞磁場の引き延ばしが考慮されていないため、footprintが北側にずれてしまう。

●Tsyganenko model
・衛星観測によって、得られた磁場を平均して得られたモデル。
・それぞれのモデルによって使用している衛星や平均化する期間が異なる。
・モデルによってInput Parametersが異なる。

Chen et al., [2006] (Appendix A)

衛星位置の電離圏への投影●2017年3月28日の Nyrola上空の衛星の軌道ムービー上で、それぞれのモデルでの軌道を見てみる

72.5200

Geographical latitude[deg]Emodel
IGRF
T04S
T01
T96

IGRFが北側に大き
くずれ、T96が大きく東側にずれる

52.0800

15.2400

Geographical latitude[deg]

35.6800

Assumed height : 400km

衛星位置の電離圏への投影●どのTsyganenko modelが最適か。
・Chen et al. [2006]の統計解析によると、Dst指数によって使用する磁場を変えると良いという結果。
磁場モデル

Dst index

Performance

T01S model-180～-30nT

60～80%の時間でぴったり一致する

All model-30～50 nT

どのモデルも同じようなPerformance・Huang et al. [2007]の統計解析によると、T04Sが最適。
磁場モデル

Performance

T01, T96 model

静穏時に用いると良い。磁気嵐主相と回復相で誤差が大きい。

T04S model

内部磁気圏について静穏時も磁気嵐時も磁場がよく再現されている。しかし、極端に強い磁気嵐の時は注意が必要。

Outline
・ 研究概要・ 画像解析
・ 衛星位置の電離圏への投影

・ まとめ

18

まとめ
・ 仮定高度によるズレに注意☞先行研究などで分かっている、より妥当な発光高度を与えると良い。
・ 3点測量の可能性☞同じ観測対象を離れた二つの定点から観測すれば高度が分かる。
☞より正確な座標変換が可能に。
(PWINGプロジェクトで試験的に行う予定)
・ 適切な磁場モデルの使用☞地磁気擾乱の規模に応じて使用モデルを変えると精度が増す。
[e.g., chen et al., 2006; Huang et al., 2007]

END

20

●Tsyganenko model衛星位置の電離圏への投影●2017年3月28日の Nyrola上空の衛星の軌道
Assumed height : 400km

70oN

東にズレる

65oN

2230UT

model
IGRF

60oN

T04S
T01
T96

2200UT

40oE

35oE

30oE

25oE

20oE

15oE

10oE

55oN

・IGRF modelとTsyganenko modelではズレが大きい。
・T01とT04Sはほぼ一致しているが、T96は経度方向に大きくズレた。

画像解析
天頂のピクセル位置(𝑥0 , 𝑦0 )72.5200

生画像
星の位置1(𝑥1 , 𝑦1 )星の位置2(𝑥2 , 𝑦2 )𝑥1 = 𝑓(𝑥0 , 𝑦0 , 𝑎, 𝜑)𝑥2 = 𝑓(𝑥0 , 𝑦0 , 𝑎, 𝜑)
𝑦1 = 𝑓(𝑥0 , 𝑦0 , 𝑎, 𝜑)𝑦2 = 𝑓(𝑥0 , 𝑦0 , 𝑎, 𝜑)
画像から出せる

North latitude [deg]𝑎天頂

52.0800
15.2400

East longitude [deg]

地理座標変換後の画像

35.6800

衛星位置の電離圏への投影●2017年3月28日の Nyrola上空の衛星の軌道

72.5200

ムービー上で、それぞれのモデルでの軌道を見てみる

Geographical latitude[deg]Emodel
IGRF
T04S
T01
T96

IGRFが北側に大き
くずれ、T96が大きく東側にずれる

52.0800

15.2400

Geographical latitude[deg]

35.6800

Assumed height : 400km

衛星位置の電離圏への投影●あらせ衛星のフットプリントにおける輝度値変化

IGRF以外はよく一致しているようにみえる。

今回注目した構造は、アーク状であったた
め、モデルによる位置の違いの影響を受けにくかった。

Assumed height : 400km