極限的短周期変動を持つオーロラの探索
Searching for auroral periodic variations of extremely short duration（地球電磁気・地球惑星圏学会推薦）

National Institute of Polar ResearchRyuho KATAOKA

海老原祐輔

Kyoto University

Yusuke EBIHARA

名古屋大学

三好由純

Nagoya University

Yoshizumi MIYOSHI

東京大学

福田陽子

Tokyo University

Yoko FUKUDA

代表研究者 国立極地研究所

片岡協同研究者 京都大学

龍峰

Auroral microphysics still remains unexplored. Cutting-edge ground-based optical observations using scientificcomplementary metal-oxide semiconductor (sCMOS) cameras recently enabled us to observe the fine-scale morphologyof bright aurora at magnetic zenith for a variety of rapidly varying features for long uninterrupted periods. Severalinteresting examples of combinations of fine-scale rapidly varying auroral features are observed by the sCMOS camera
installed at Poker Flat Research Range (PFRR), Alaska, since February 2014. In Kataoka et al. (2015), the first example
shows that flickering rays and pulsating modulation simultaneously appeared at the middle of a surge in the
pre-midnight sector. The second example shows localized flickering aurora associated with growing eddies at thepoleward edge of an arc in the midnight sector. We further developed a new observations system, applying standard
Support Vector Machine technique to automatically judge the existence of aurora to turn on and off the burst mode
imaging observations of sCMOS camera. The new observation system reduces the total data size down to 25%, and thestatistical analysis of the whole data set is still ongoing. The fastest flickering aurora so far observed is 45 Hz, and thefastest pulsating aurora is 23 Hz. Leakage of energy is the united hypothesis to explain the generation mechanisms of
the rapidly varying aurora, and further analysis and simulation works are needed to test the hypothesis.
研究目的

激しく変化する明るいオーロラの中に、どのようなオーロラは準周期的に変動することがあり、周期超高速変動が埋め込まれているか、という未知の領2-20 秒の脈動オーロラと、周期 0.1-1 秒のフリッカ域を探査する上では最適の時期であった。実際に、リングオーロラが古くから知られている。さらに周磁気嵐の指標とされる Dst 指数で-50 nT を超える規期の短いオーロラ（周期 0.02-0.03 秒）が存在するこ模の磁気嵐は、2013 年度の観測期間中に 6 回、2014とが我々の観測 (Kataoka et al., 2012) によって明ら年度の観測期間中には 9 回発生した。

かになり、「極限的短周期変動を持つオーロラは何取得された総データ量は、2013 年度が 6 TB、2014か」という新しい問いが生まれた。本研究の目的は、年度が 27 TB となり、従来の光学観測に比べて桁違0.002 秒の周期変動まで検出可能な最先端の sCMOSいのデータ量を取得している。最速サンプリングレカメラを用いて、オーロラの極限的な短周期変動をートをできる限り連続的に行うカメラ制御や効率的発見し、その発生パターンを観測的に明らかにするなデータストレージといった技術的な面でも挑戦がことである。

あり、本研究で得られた観測経験は、今後の新しいオーロラの光学観測手法の基盤づくりとしても重要

研究経過である。

研究期間の 2013 年度と 2014 年度は、磁気嵐が頻2013 年度は、最速の変動周期 0.01 秒までのオーロ発しやすい太陽活動極大期であったため、磁気嵐でラの時間変動を、最も微細なオーロラの空間構造まで観測できる撮像システムをデザインした。より具型であった。この混在型の意味としては、両者の原体的には、発光の時定数の長い緑 (557.7 nm)と赤因となる異なる種類のプラズマ波動が、磁気圏内で(630.0 nm)のオーロラ輝線を消す RG665 ガラスフィ局在化した共通の領域から発せられたと解釈できる。

ルタと、焦点距離 50 mmF1.2 カメラレンズを利用し2014 年度からは、東京大学大学院博士後期課程のた sCMOS カメラシステムを構築し、アラスカ大学福田陽子氏が本研究メンバーに加わった。観測シスのポーカーフラット実験場に設置した。2014 年 2 月

テムに幾つかの変更を加え、再びポーカーフラット

4 日～2014 年 4 月 5 日の約 2 か月間の無人プログラ

実験場において、2014 年 11 月末から 2015 年 4 月中ム観測を実施した。絶対時刻の基準として GPS 衛星

旬まで観測を実施した。システム上変更した点は主からの PPS に同期して発光する LED を視野内で毎に 2 点ある。

秒光らせる方式を採用した。また、毎分 0-10 秒のみ

まず、GPS 時計を用いたトリガーシステムの採用のデータを記録することでストレージを節約し、シにより、LED 発光による絶対時刻スタンプを廃止しーズンを通した連続観測を実現した。差分ムービーた。これにより、データ解析する上でのコンタミがによる目視観察の結果、複数の磁気嵐において発生消え、研究が加速するというメリットが生じた。

した新種の「混在型」の短周期変動を発見し、速報として論文にまとめた。(Kataoka et al., 2015)

第 2 点として、オーロラの有無の自動判定を、機械学習によって実現した。これは、sCMOS カメラのまず、最も顕著な傾向として、発光強度の時間変他に、監視カメラとして魚眼レンズを付けた一眼レ化とは異なり、速い空間変化を伴うオーロラの変動

フカメラを連動させた新システム（Figure 2）で、が多く見出されてきた。オーロラの微細な模様が、監視カメラから得られた画像の色情報を用いて、ほまるで流体のように東西へ流れシアを伴う動きや、ぼリアルタイムでオーロラの有無の自動判定を行い、渦巻く動きを見せるものである（Figure 1）。

判定結果に応じて sCMOS カメラを自動制御するものである（福田ほか, 2015）。このシステムにより、最長で毎秒 0-50 秒の連続観測が可能となり、脈動オーロラの長周期及び短周期変動の階層的な解析を行うことができるようになった。また、得られたデータの大部分が解析に用いることのできるデータであり、天候やオーロラの有無によるデータサーベイに要する時間を大きく省くことも可能となった。本観測システムにより、オーロラの自動判定を用いない観測システムに比べて、データ量を 1/4 に抑えることができており、将来観測への応用も期待できるものである。

Figure 1: Example of obtained images of aurora.
本研究では、非常に明るいオーロラの淵にあたる
明暗境界に周期的なコブが発生して崩れていく様子と、そのオーロラ中の東西シアの流れの中に短周期の明るさの時間変動が埋め込まれているという「混在型」を発見した。この混在型のオーロラの意味としては、シアが生み出す磁気流体波動が明るさの短周期変動の原因と解釈できる。そして、次に顕著な発見は、同じ短周期変動といっても矩形波型の脈動変調と、サイン波型のフリッカリング・レイという、メカニズムのまったく異なると考えられてきた 2 種

Figure 2: Automatic of burst-mode aurora imaging

類の変動が近接して同時発生していた、という混在

system assisted by all-sky DSLR camera.

由純，塩川和夫，海老原祐輔，Donald Hampton，西村耕司，鈴木理紗，岩上直幹（2015），機械学考察2015 年 5 月の現時点で、アラスカで観測したデー習に基づく自動判定を応用したオーロラ高速撮

タの回収作業を終えたばかりであり、現在は高速オ像システム，第 21 回画像センシングシンポジウ

ーロラの発生頻度などに関する統計的な解析を進めム.（査読有り）ている段階である。
極限的な短周期変動に関する初期的な統計解析結研究の発表

果としては、タイプによらず、極めて明るいオーロ

口頭発表

ラ中に最速の高速変動が見られる、というのが最も

1.

Kataoka, R., Yoko Fukuda, Yoshizumi Miyoshi,

顕著な傾向であった。これは限られた空間スケール

Hiroko Miyahara, Satoru Itoya, Yusuke Ebihara,を持つオーロラへの電磁・粒子エネルギー集中の限Donald Hampton, Hanna Dahlgren, Daniel Whiter,

度、つまりエネルギー漏れを可視化しているように

and思える結果でもあり、今後はシミュレーションによmicromorphology:る再現実験も組み合わせる研究を進める予定である。

imaging, 第５回極域科学シンポジウム, 2014 年

Ivchenko,

CompoundGround-based

auroralhigh-speed

12 月.

本研究で取得したデータ中に発見した最速のフリッカリングオーロラは 45 Hz であり、従来の研究でNickolay2.

Kataoka, R., Y. Fukuda, Y. Miyoshi, N. Sunagawa, H.

考えられてきた酸素イオンのジャイロ周波数の限界

Miyahara, Y. Ebihara, and D. Hampton, Compoundである 20 Hz よりも 2 倍以上速いイベントが多数存

microphysics of rapidly varying aurora, 第 136 回地在することが明らかになっている。また、そのよう

球電磁気・地球惑星圏学会総会・講演会, 松本,

な高速フリッカリングオーロラの出現タイミングと、

2014 年 11 月.

地上の数分周期の磁場変動との対応関係から、高速

3.

Kataoka, R., and Y. Fukuda, Compound auroralのフリッカリングオーロラを生み出すために必要な

micromorphology:電流強度がラフに推定できることがわかっている。

imaging, Fourth International Symposium on the

そして、高速のフリッカリングオーロラの形成メカ

Arctic Research (ISAR4), Toyama, 27-30 April

ニズムとして、局在化した電流ループの水平移動が2015.

重要な役割を果たすことが明らかになっている。

4.

Ground-based

high-speed

Kataoka, R., Y. Fukuda, Y. Miyoshi, K. Shiokawa, M.

脈動オーロラに関して本研究で見出された最速のOzaki, Y. Kato, and Y. Ebihara, Visualization of

変調は 23 Hz で、明るい脈動オーロラほど速い変調

wave-particle interactions by high-speed imaging ofを伴うことが分かっている。脈動オーロラの変調は、aurora, JpGU 2015, Makuhari, May, 2015.

発光領域の形を保って明るさのみが時間変化すると

5.

福田陽子，片岡龍峰，三好由純，砂川尚貴，塩考えられてきたが、本研究の高精細かつ高速な撮像

川和夫，橋本あゆみ，海老原祐輔， Hampton

により、発光領域の空間変調が明瞭に捉えられるよ

Donald，岩上直幹 『微細オーロラの地上高速撮うになった。脈動オーロラは磁気圏におけるプラズ像観測』国立極地研究所研究集会 「非ダンジェマ波動と電子の相互作用によって形成されると考えー磁気圏物理学研究会」，国立極地研究所，2014

られてきたおり、この高速撮像で明らかになった空

年 9 月.

間変調は、プラズマ波動を可視化している可能性が6.

福田陽子，片岡龍峰，三好由純，砂川尚貴，塩川和夫，橋本あゆみ，海老原祐輔， Hampton

高い。

Donald ， 岩 上 直 幹 『 Extremely fast auroral
参考文献

morphology

1.

Kataoka, R., Y. Miyoshi, D. Hampton, T. Ishii, and H.

ground-based experiment using sCMOS cameras』地

Kozako (2012), Pulsating aurora beyond the球電磁気・地球惑星圏学会

ultra-low-frequency range, J. Geophys. Res., 117,

講演会（2014 年

A08336, doi:10.1029/2012JA017987.（査読有り）

文化ホール，2014 年 11 月.

2.

福田陽子，片岡龍峰，田中正行，山下淳，三好7.

beyondtheULF

range:new第 136 回総会及び秋学会），R006-31，キッセイ

福田陽子，片岡龍峰，三好由純，砂川尚貴，塩川和夫，橋本あゆみ，海老原祐輔， Hampton

用』第 12 回 Image Processing Tokyo，東京工業

Donald ， 岩 上 直 幹 『 Extremely fast auroral

大学，2015 年 5 月.（招待講演）

new10. 福田陽子，片岡龍峰，三好由純，加藤雄人，西ground-based experiment using sCMOS cameras』第山尚典，塩川和夫，海老原祐輔，Donald Hampton，

5 回極域科学シンポジウム，国立極地研究所，

岩上直幹『脈動オーロラの準周期的空間変調』

2014 年 12 月.

日本地球惑星科学連合 2015 年大会，
PEM28-10，福田陽子，片岡龍峰，三好由純，砂川尚貴，塩幕張メッセ国際会議場，2015 年 5 月.

morphology

8.

beyondtheULF

range:

川和夫，橋本あゆみ，海老原祐輔， Hampton

9.

Donald，岩上直幹『地上高速撮像による脈動オ

誌上発表

ーロラ変調周期の統計解析』名古屋大学太陽地

1.

Kataoka, R., Y. Fukuda, Y. Miyoshi, H. Miyahara, S.

球環境研究所共同研究集会「脈動オーロラ研究

Itoya, Y. Ebihara, D. Hampton, H. Dahlgren, D.

集会」，名古屋大学，2015 年 1 月.

Whiter, and N. Ivchenko (2015), Compound auroral

福田陽子，片岡龍峰，田中正行，山下淳，三好

micromorphology:

由純，塩川和夫，海老原祐輔，Donald Hampton，imaging, Earth, Planets and Space, 67, 23,

西村耕司，鈴木理紗，岩上直幹『機械学習によdoi:10.1186/s40623-015-0190-6.

るオーロラ自動判定とオーロラ高速撮像への応

Ground-based

high-speed