ジオスペース研究

Study of Geospace

インドネシア・スマトラ島で、夜間大気光を通して撮影された電離圏のプラズマバブル（左）と中間圏の大気重
力波（右）。これらの超高層大気の構造は、人工衛星との通信障害を引き起こしたり、大気のグローバルな循
環を左右したりします。

ジオスペースは、太陽から絶え間なく放出される電磁波、磁場、荷電粒子などを受けてダイナミックに変動する、地球をとりまく広大な空間です。ジオスペースは、太陽活動に依存して変動しており、宇宙や地球の環境、私たちの経済や社会活動にも様々な形で影響を及ぼします。その変動のメカニズムを解明し、予測を可能にすることが緊急の課題になっています。ジオスペースの研究は、太陽－地球空間を一つのシステムとして扱う総合科学であり、多岐の学問領域にまたがる視点が重要です。

Plasma bubble in the ionosphere (left) and atmospheric gravity
waves in the mesopause region (right) observed throughairglow imagesat Sumatra Island, Indonesia. These structuresin the upper atmosphere cause interference of radio
communication between satellite and ground and affectdynamic variation of the middle atmosphere.

“Geospace” is a name for the region occupied by the Earth’s space environment. It is centered on the Earth and extends at least
100,000 km upward from the atmosphere. Energy inputs to geospace come primarily from the Sun. These inputs come fromcharged particles as well as electromagnetic waves, including sunlight. Geospace is characterized by a continually changing
environment, the knowledge of which requires study of the Sun, of the Earth, and of all the space between them.
太陽活動の変動は、ジオスペース環境を変化させる源です。太陽表面で頻繁に起こっているフレアなどの活発な活動を、太陽の軟Ｘ線画像で見ることができます。

電離圏磁気圏の擾乱現象は、地磁気の観測デー
タを用いて電離圏の電気ポテンシャルや電離層電流を導出する KRM 法などのモデリングや、コンピュ
ータシミュレーションによって解析します。

The Sun is the major source of variations in the geospaceenvironment. Solar events such as flares and coronal massejections (CMEs) are commonly seen in X-ray andvisible-light images of the solar surface.

Disturbances in the magnetosphere and ionosphere arestudied by making remote and in situ measurements, aswell as by running numerical models such as the KRM
model to simulate selected events on computers.

国立天文台/JAXA 提供
courtesy of NAOJ/JAXA

フレアなどの太陽表面活動に関連して、高エネルギー
粒子や大量のプラズマが惑星間空間に放出されます。
そのエネルギーと物質の一部は、太陽風－磁気圏－電離圏－熱圏の領域間結合を通して、太陽から地球へと輸送されていきます。

サブストーム／磁気嵐の発生に伴ってオーロラは増光し、オーロラオーバルは低緯度に拡がり、同時にその幅も拡がります。南極のオーロラは地球の内側から透かして見ています。

CMEs carry plasma, energy, and magnetic disturbances
through the heliosphere that surrounds the Sun. CMEs that
happen to be directed toward Earth disturb geospace from thesolar wind through the magnetosphere and ionosphere to thethermosphere, thereby causing events known as geomagnetic
storms.

Geomagnetic storms are also characterized by abrightening of the auroral oval surrounding the magnetic
pole. The auroral oval extends to lower magnetic latitudes
than usual during a geomagnetic storm. Auroralbrightenings of shorter duration are known as substorms.
Southern aurora is seen through the Earth.

太陽から地球磁気圏へと運び込まれて蓄積されたプ
ラズマによって突発的に発生するサブストーム／磁
気嵐は、磁気圏尾部からの粒子入射に伴う環電流と放射線帯高エネルギー粒子の増減に影響を与えます。これらのジオスペース環境の変動過程の解明は
宇宙天気研究の重要な課題です。
Disturbances of geospace also affect the Earth’s radiation
belts. Particle radiation intensities decline during a
geomagnetic storm and radiation-belt intensities
subsequently recover. Study of variations of the ring current
and radiation belts are important to a field of study known
as “Space Weather.”

オーロラオーバル
Auroral oval

内部磁気圏
放射線帯外帯Inner magnetosphere

Outer radiation belt

放射線帯内帯Inner radiation belt

電子
Electrons

環電流
Ring currents

イオン
環電流と放射線帯高エネルギー粒子
Ring currents and high-energy particles

Ions
CDAW ワークショップデータ解析 (NASA 提供)
CDAW Workshop (Courtesy of NASA)

ジオスペース研究センター Geospace Research Center
ジオスペース研究センターは、太陽から地球大気までのエネルギーと物質の輸送・循環過程に関する系統的解明を目指し、所内研究部門や所外共同研究者と連携・協力して、領域をまたぐ横断的共同研究プロジェクトを立ち上げ、その遂行に中心的役割を担うことを目的としています。センターは、プロジェクトの企画・統括を行うマネジメント部と、プロジェクト研究の実践・支援を担うプロジェクト推進部、そして分野横断的な観測協力が機動的に実施できるように一元的に編成された観測所群から構成されています。
The purpose of the Geospace Research Center (GRC) is to coordinate and promote joint research projects on dynamical
processes in geospace, including energy flow and transformation of the solar-terrestrial system. The Center consists of aManagement Section, a Research Projects Section, four Observatories, and two Stations.

マネジメント部

観測、データ、理論・シミュレーションを有機的に連携
Cooperation in Observation, Data Analysis and Theory/Simulation

研究プロジェクトを企画・統括し、プロジェクトで取得されたデータおよび国内の他の研究機関で得られた大量の研究情報やデータを集約して、高速検索が可能なデータベースを構築します。また、モデリング・シミュレーション研究との連携・協力も支援し、構築されたデータベースをネットワークを通じて国内外に発信する、太陽地球環境科学のポータ
ル（玄関）としての役割も果たします。

・

IT 基盤
IT Infrastructure・

データベース作成共同研究
Cooperative Research on Database Construction

・

計算機利用共同研究
Cooperative Research by Using Computers

The Management Section organizes joint research projects in cooperation with research groups in the Laboratory, as
well as with researchers at other institutions in Japan. This Section also promotes the construction of comprehensive
databases and conducts modeling/simulation studies.

Research Projects Section

・

・

・
・

観測
Observations

領域横断的
プロジェクト
Joint Research Projects
統合化Integration
理論
データアーカイブ
TheoryData Archive
シミュレーション
共有化
Simulation
Common Use

Project 1: Study of Evolution of 3-dimensional
Heliospheric Structure and Particle Acceleration in the
Peculiar Solar Activity Cycle
Project 2: Coupling Processes of Space Plasma andCharged/Neutral Atmosphere Based on Global Groundand Satellite Observations
Project 3: Effect of Solar Activity on Global Environment
Project 4: Geospace Environment Modeling System for
Integrated Studies – Phase II: Investigation of Particle
Acceleration and Regional Coupling Processes During
Geospace Storms

マネジメント・推進・支援Management, Promotion, and Support
ジオスペース研究センター
Geospace Research Center

ジオスペースの定常観測を実施し、４つのプロジェクト推進のための観測方法・機器・ソフトウエア開発などを行い、分野・領域を横断する研究を遂行します。
The Research Projects Section conducts joint projects and also carries out routine observations. Four such projects are
currently in progress.

国内外
共同研究機関Domestic andOverseas
Institutions

所内
研究部門
Research Groups
in STEL

定常的事業 （研究基盤の整備、構築）
Regular Projects

プロジェクト研究 (6 年計画)
Special Research Projects (Six-year Plan)

Management Section

プロジェクト推進部

定常的事業とプロジェクト研究を遂行
Promotion of Regular Projects and Special Research Projects

アウトプットとしてのジオスペースデータベース
Geospace Database as Output

ジオスペース研究センター

Geospace Research Center

IT 基盤
IT Platform

マネジメント部Management Section
プロジェクトの企画・統括
シミュレーションモデリング
Organization of Cooperative Projects
Modeling and Simulation Studies

データ・ソフトウェア
Data & Software

プロジェクト推進部
Research Projects Section

観測所
Observatories

データアーカイブ
Data Archive

観測データのデータベース化
Database of Observations

ジオスペース研究センターは、国内外研究機関との連携・協力のもとに、観測、データ解析、理論・シミュレーションを有機的に統合した定常的事業とプロジェクト研究を遂行して、ジオスペース研究における重要課題の素過程と領域間結合の解明に迫ります。
The Geospace Research Center conducts regular and special projects to study elementary processes and cross-regional coupling in geospace. It does
this by integrating three approaches: observations, data analysis, and theory/simulation.

プロジェクト・観測の推進・支援
Promotion of Projects

IT 基盤
先端的 IT 基盤の構築と統合化・運用
Construction of Advanced IT Infrastructure andIntegration/Operation

横断的重点共同研究プロジェクト
Joint Research Projects

数値モデル化
情報の共有化
Numerical Modeling Common Use of Information

IT Infrastructure
コンピュータネットワーク接続
Topology of Computer Network

スーパーコンピュータ・高性能コンピュータ

情報基盤センター

Supercomputer/High Performance Computer

Information Technology Center

SINET

他大学
Universities

ジオスペースサイエンスクラウド
Geospace Science Clouds

Campus LAN:
NICE

統合化・運用

所内研究部門Research Groups in STEL

国内外共同研究者
Domestic and Overseas
Co-investigators

Integration/Operation

高速ネットワークHigh Speed Network
SINET, JGN-X
Campus LAN: NICE
1 Gbps, 10 Gbps

広域ファイルシステム
Wide Area File
SystemGfarm

Switch広域ファイルシステム
Wide Area File System
Gfarm

太陽地球環境研究所
Solar-Terrestrial Environment
Laboratory

JGN-X

NICT・他大学
Universities

ジオスペース研究センターは、センターと所内研究部門・国内外共同研究者との研究連携によって領域横断的共同
研究プロジェクトを遂行し、データアーカイブ、データベース化、数値モデル化、研究情報の共有化を行うことにより、研究成果を発信します。

ジオスペース研究センターは、情報基盤センターや情報通信研究機構 (NICT)と連携・協力して、スーパーコンピュータと高速ネットワークと広域ファイルシステムを接続した先端的な IT 基盤の構築と統合的な運用を推進します。

The Geospace Research Center carries out joint research projects in cooperation with research groups in the Laboratory and withcollaborating research scientists elsewhere. It promotes the compilation of data archives, construction of databases, numericalmodeling, and common use of research information.

The Geospace Research Center promotes construction and integration/operation of advanced IT infrastructure composed by supercomputer, highspeed network and wide area file system (Gfarm) in collaboration with the Information Technology Center of Nagoya University and NICT
(National Institute of Information and Communications Technology).

ジオスペース研究基盤を支える共同研究
Cooperative Research Program for Basic Study of Geospace
Cooperative Research on Database Construction

名古屋大学情報基盤センターのスーパーコンピュータ
FX1 と HX600 を用いて太陽地球惑星系科学に関する計算機利用共同研究を行っています。

太陽地球環境の研究は、太陽から地球までの間で引き起こされる多様かつ複雑な現象を系統的に理解することを目的としています。このために、衛星や地上に設置された様々な観測機器によって取得された多種多様のデータを活用した解析が行われます。観測データは、単に取得しただけでは活用が難しく、ノイズ処理、較正、誤差
解析など一連の処理を実施し、データベースとして整備して初めて生きたデータとなります。ジオスペース研究セ
ンターでは、平成８年度以来「データベース作成共同研究」を実施し、所内・所外の研究者と協力してデータベースの整備を行ってきました。
The aim of the Solar-Terrestrial research is to obtaincomprehensive understanding of variety of complex
phenomena occurring in the space between Sun and Earth.
To do so, analyses of various data taken by ground andsatellite instruments are being done. Such data, however, aredifficult to use efficiently without making database byprocessing properly. To make such databases, Geospace
Research Center is conducting database production
collaboration with researchers in STEL and other research
institutes.

Cooperative Research by Using Computers

Computational joint research programs on the solar,
terrestrial, and planetary sciences are carried out by using
the Fujitsu FX1 and HX600 supercomputer systems at
Information Technology Center (ITC), Nagoya University.

「コンピュータシミュレーション」は、観測データの再現や理論解析の証明だけでなく、太陽系内・系外の遠くの惑星や太陽圏構造全体など、観測できない現象及び理論的な説明がつけられない現象を研究する上で重要な役割を担っています。

超高層大気イメージングシステムデータベース。高度90-300km の夜間大気光を観測。大気光強度の２次元分
布、風速、温度を同時に複数高度で測定。
OMTI (Optical Mesosphere Thermosphere Imager)
database. Two-dimensional airglow intensity, windvelocity, and temperature in the upper atmospheremeasured by all-sky imagers and interferometers.

Roles of “computer simulations” are to study various
phenomena which are not observable or theoreticallyinterpretable such as solar-system planets and extra-solar
planets far from the Earth, or whole solar system, as well as
reproduction of observed data and verification oftheoretical analyses.

地球磁気圏は様々な領域から成り立っており、その領域間に存在する中間スケールの境界層は磁気圏グローバル構造を決定する上で重要です。またプラズマ粒子の運動によるミクロスケールの粒子加速・加熱は、中間スケールの境界層の構造を決定する上で重要となります。これらの「スケール間結合」をコンピュータシミュレーションにより調べています。
The Earth’s magnetosphere has various boundary layers, and these meso-scaleboundary layers are important for global structures of the magnetosphere. The
micro-scale particle acceleration and heating play important roles in
meso-scale boundary layers. These cross-scale coupling between global- andmeso-scales or micro- and meso-scales are studied by high-performancecomputer simulations.

比較磁気圏のシミュレーション(上) 木星磁気圏の MHD シミュレーション(中央左) 太陽磁気圏の MHD シミュレーション（下）太陽系外に存在する“ホットジュピター”の磁気圏 MHD シミュレーション
Simulations of comparative magnetospheres(Top) MHD simulation of Jupiter’s magnetosphere.
(Center) MHD simulation of heliosphere.
(Bottom) MHD simulation of magnetosphereof Hot Jupiter in extra-solar systems.

スケール間結合のシミュレーション(中央) 地球磁気圏のグローバル MHD シミュ
レーション。
(右上) 富士通 FX1 スーパーコンピュータシス
テム。
(左上) 無衝突衝撃波の粒子シミュレーション。
(右下) 磁気圏尾部の磁気リコネクションのブラ
ソフシミュレーション。
(左下) 低緯度境界層のケルビン－ヘルムホルツ不安定性のブラソフシミュレーション。
国立天文台およびその前身である東京大学東京天文台で観測された、太陽黒点相対数と黒点の緯度分布（いわゆる蝶形図）。国立天
文台の太陽長期活動・長期変動データベースではこのほか、1910 年
代からの白色光、Hα線、カルシウム K 線による太陽画像や、コロナ
グラフによるコロナ画像などを公開している。
Sunspot relative numbers and latitude distribution of sunspots (theso-called butterfly diagram) observed at the National Astronomical
Observatory of Japan. The database also contains solar images inwhite light, H-alpha, Calcium K-line, and images of the solar corona
taken with a coronagraph; some dates back to 1910s.

鹿児島観測所 VLF 観測データベース。雷起源のホイスラー空電の生波形とそのダイナミックスペクトル。太陽地球環境研究所鹿児島観測所で 1976 年から継続されてきた
VLF/ELF 電波観測データ。
Kagoshima VLF database. Very Low Frequency (VLF) /Extremely Low Frequency (ELF) data taken at Kagoshima
Observatory, STEL, since 1976. Wave form of lightning
whistlers and their frequency-time spectrum.

Simulations of cross-scale coupling processes(Center) Global MHD simulation of Earth’s
magnetosphere.
(Top-right) Fujitsu FX1 supercomputer system.
(Top-left) Full particle simulation ofcollisionless shock.
(Bottom-right) Vlasov simulation of magnetic
reconnection in the magnetotail.
(Bottom-left) Vlasov simulation of
Kelvin-Helmholtz instability in the low-latitude
boundary layer.

Project
Project 1: Study of Evolution of 3-dimensional Heliospheric Structure
and Particle Acceleration in the Peculiar Solar Activity Cycle
第 24 太陽活動周期は、長期にわたる無黒点状態や太陽極磁場強度の低下など従来の周期とは異なる特徴があります。今後、太陽活動の発展に伴って、太陽圏がどのように変化するかは興味ある課題です。この特異な活動周期における太陽圏３次元構造の変遷や粒子加速メカニズムをについて、惑星間空間シンチレーション（IPS）と高エネルギー
粒子の地上観測から研究を行います。
The 24th solar cycle has some characteristics which differ from earlier ones; such as the prolonged spotless condition and reductionin the Sun’s polar magnetic field. It is an interesting question how the heliosphere evolves in association with the solar activity
variation. We are studying evolution of 3-dimensional heliospheric structure and particle acceleration in the peculiar cycle.

太
陽
風
速
度

ブラジル宇宙線計が観測した大規模な地磁気嵐の宇宙線前兆現象（信州大学・宗像教授のグループによる）。地磁気嵐の約 30 時間
前から前兆現象が見えています。宇宙線観測からは宇宙天気予報にも役立つ情報が得られます。

太陽面緯度

A loss-cone precursor of a severe geomagnetic storm on 14 December 2006
was clearly observed with the Brazilian muon detector about 30 hours prior
to the SSC onset (analysis by Prof. K. Munakata’s group of Shinshu
University). Cosmic ray muon observations provide us with useful
information for space weather predictions.

Solar Neutrons

Detectors
Optical fibers
太
陽
風
速
度

Scintillators

太陽面緯度

天体電波源の惑星間空間シンチレーション(IPS)観測から求めた太陽風速度の緯度依存性：（上）CR 2070 (2008 年)、(下) CR 1910 (1996 年)。1996 年の観測では、赤道では太陽風速度が最小なのに対して、2008 年の観測では、赤道で太陽風速度が増加しています。IPS 観測では、赤道から極まで広い緯度範囲の太陽風速度を測ることができます。

人工衛星の観測データから計算した太陽コロナ磁場： (左)CR 2070
(2008 年)、（右）CR 1910 (1996 年) 。開いた磁力線を赤色、閉じた磁力線を白色で示す．1996 年のコロナでは、開いた磁力線は極域からのみ出ていたが、2008 年のコロナでは開いた磁力線が極域のみならず低緯度からも出ています。この様なコロナ磁場特性の違いが太陽風に与える影響について、IPS 観測から調べることができます。

Latitude variation of solar wind speed determined from IPS
observations: (upper) CR 2070 (Year 2008), (lower) CR 1910 (Year1996). Observations in 2008 show an increase in solar wind speed at
the equator, while observations in 1996 show that the speed isminimal there. IPS observations enable to measure the solar windspeed for a wide latitude range from the equator to the poles.

Coronal magnetic fields calculated from satellite observations: (left) CR 2070
(Year 2008), (right) CR 1910 (Year 1996). Open and closed field lines areindicated by red and white lines. The open field lines come from low latitudes aswell as the poles for 2008, whereas they come from only the poles. IPS
observations enable to investigate influence of different coronal magnetic
properties on the solar wind.

メキシコ・シェラネグラ山（高度 4,600m）に設置される SciBar 検出器。第 24 太陽活動期において超高感度太陽中性子検出器として使用される。
The SciBar detector which is installed at Sierra Nagra,
4,600m above sea level, in Mexico. This is used as asuper sensitive solar neutron telescope in solar cycle
24.

Project

超高層大気（80-110 km)の大
気温度を測定する新しいナトリ
ウ ムライ ダー用受信望遠鏡（左）とレーザービーム（右）。
他の地上・衛星観測と組み合
わせて、超高層大気の変動のメカニズムを明らかにします。

Project 2: Coupling Processes of Space Plasma and Charged/Neutral Atmosphere
Based on Global Ground and Satellite Observations
太陽からやってくる宇宙プラズマと地球の電離大気・中性大気の間の相互作用は、地球のまわりの身近な宇宙空間（ジオスペース）で発生する諸現象を作り出します。このプロジェクトでは、地上観測を有機的に結合させてネットワーク化
し、人工衛星観測と組み合わせることにより、地球周辺の宇宙プラズマ－電離大気－中性大気間の結合過程とその間のエネルギー・物質のやりとりを研究します。また、長期モニタリングが可能な地上観測の特性を生かして、極大期・極小期を包括する長期的な観測を行い、太陽活動が地球大気に与える影響を明らかにしていきます。

Five telescopes for a new sodium
LIDAR (left) and laser beam overaurora display (right). The sodium
LIDAR is under operation atTromso, Norway for investigationof temperature variations between
80 and 110 km and of theirmechanisms.

This project aims to elucidate the coupling processes of space plasma and charged/neutral atmosphere in the geospace region bycoordinating new global experiments from ground network instruments and satellites. Using the advantage of ground experiments forlong-term measurements, we also investigate effects of the solar 11-year activity to the Earth’s atmosphere.

ジオスペースを構成するいくつかの領域と、計画段階の人工衛星の軌道。この様な諸領域を観測する衛星計画が米国や日本にあり、地上観測との連携も図られる予定です。本プロジェクトではこれらの衛星計画に積極的に関わっていきます。

地上HFレーダーネットワーク観測によって得られた極域・サブオーロラ帯の電離圏プラズマの流れのパターン。地上ネットワーク観測はこのよ
うに広い範囲の情報をあたえることができます。
一方、人工衛星はその場の詳細な情報を得ることができます。

Schematic picture of several geospace regions in the innermagnetosphere. This project contributes to future satellite
missions that investigate these geospace regions.

Plasma convection pattern obtained by a ground HF
radar network. Ground network experiments can give
global-scale information, while satellite measurements
can give detailed in-situ electromagnetic conditions ofplasma and fields.

オーストラリア・ダーウィンの高感度全天カメラで観測された電離圏のプラズマバブル構造（画像中で北から延びる黒い影）。電離圏のプラズマ密度が急激に減少しており、これが上空にあると人工衛星との通信が阻害されてしまうため、その発生原因を探ることが重要です。その成因には、プラズマと中性大気の相互作用が深く関わっています。
Plasma bubble structures observed by an all-sky
airglow imager at Darwin, Australia. The
plasma bubble is caused by interaction between
the plasma and neutral atmosphere.

上：地上から高感度白黒カメラで撮影されたオーロラのカーテン（左右に延びる白い線）と、3機の人工衛星
THEMIS A, D, Eの位置。下：この人工衛星で測定された磁場変化とプラズマの速度。オーロラが左から右に延びてくるに連れて、まず一番近い衛星Eで変化が起こり、次に衛星Dで変化が起きます。このように、人工衛星と地上観測を組み合わせると、オーロラを引き起こすプラズマ変動を詳細に調べることができます。
Top: Auroral arc images obtained by a ground-based
camera. Location of the three THEMIS satellites areindicated by spots. Bottom: Magnetic field and ion flow
velocity data obtained by the three THEMIS satellites.

北極圏のEISCATスヴァールバルレーダー。この様な巨大レーダーと人工衛星の同時観測は、オーロラや高層大気で起きている現象の研究に非常に役立ちます。
42-m dish antenna of the EISCAT Svalbard radar. Thisantenna is used to measure parameters in the polar ionosphere.

Project
Project 3: Effect of Solar Activity on Global Environment
太陽活動はさまざまな形で地球環境に影響を与えます。我々は太陽活動の変動がどのように地球環境に影響を与えてきたのか、過去から現在にわたって検証し、その素過程を解明します。数十年以上の長期変動を理解するために、放射性同位体測定によって過去の太陽活動の変動を解明します。また太陽による地球環境への影響のメカニズム解明のために、現在の大気で起こっている変動を赤外線やミリ波電波により観測するとともに、レーザーを用いた室内実験によってその素過程を調べます。
The Sun affects the Earth’s environment in various ways. In this project we investigate processes by which solar activity could haveinfluenced the Earth’s environment in the past and at present. In order to understand long-term variations in solar activity over several
solar cycles or longer, we study past solar-activity variations by measuring radioisotopes. To understand mechanisms by which the Sun
can influence the Earth, we measure present-day variations in the atmosphere by using infrared and millimeter-length radio waves andconduct laboratory experiments by using a laser system.
地上からの中間圏NO2ミリ波スペクトルの初検出に成功

Hoyt & Scatten, 1998

過去 400 年の太陽黒点数の変化。太陽黒点数は太陽活動
度の良い指標です。平均 11 年周期で変化しながら、100年のオーダーでも変動しています。17 世紀後半の太陽活動が低下した数十年の期間はマウンダー極小期と呼ばれ、地球気候の寒冷化（小氷期）との関連が指摘されています。
Variation of the sunspot number over the past 400 years. The
sunspot number is a good index for solar activity. It reveals an
11-year periodicity and also shows variations in century scale.
Solar activity was especially low during the second half of the 17th
century (an interval known as the Maunder minimum), whichcorresponded to an interval of unusually cold climate (the Little Ice
Age).

オゾンミリ波スペクトル

ミリ波によるモニタリング観測を通して，数年～十数年の大気組成の変動から太陽11年周期に対応する変動を抽出し，太陽活動の大気分子組成変動に対する影響を調べます。チリ・アタカマでは，成層圏・中間圏の水蒸気（同位体比），オゾン，NO2，ClO
等のミリ波観測をしています。また南極に設置できるミリ波観測装置の開発を行い，水蒸気の緯度や地域依存等の全球的変動解明のための観測を行います。
The effects of solar activity on variation of atmospheric molecular constituents are investigatedby extracting the solar 11-year component from the monitoring measurement of millimeter-length
radio waves for the longer-term changes over tens of years. In Atacama highland of Chile,
millimeter-length radio wave observations of water vapor (isotope ratio), ozone, nitrates, ClO etc.
in stratosphere and mesosphere are made. Also a millimeter-length spectrometer, which can beused even at the Antarctic, has been developed and global variations of latitude dependence andregional effects of water vapor are clarified through observations.

太陽からの高エネルギー粒子の降り込みが，地球の中層大気，特に中間圏の微量分子組成に与える影響を，特に極域の NOx とオゾンの鉛直分布の時間変動を地上ミリ波放射計を用いた観測により調べます。
The effects of precipitation of high-energy solar
particles on global medium atmosphere, especiallyminor molecule constituents in mesosphere areinvestigated by observations of time variation invertical distributions of NOx and ozone in polar
regions using millimeter-length radiometers.

レーザーを用いた反応過程分析装置。太陽活動変動の顕著な現われである太陽紫外線の強度変動が大気組成に与える影響を解明するために、室内実験により紫外短波長域での光化学反応の素過程を明らかにし、モデル計算に反映させます。
Analysis of chemical reactions by using UV lasers. Laboratory
experiments with the laser apparatus shown above provide
information about elementary processes involved in photochemical
reactions and thus help to clarify the effects of solar UV radiation
on atmospheric constituents. The results will be useful formodeling and simulation of atmospheric processes.

屋久杉の年輪。この樹齢 1900 年の屋久杉のような樹木年
輪中の放射性炭素 14C の濃度から過去の太陽活動の様子を知ることができます。さらに過去 3000 年間の太陽活動の変遷を解明し、地球気候の変動との相関を調べます。
Tree rings in Japanese cedar from Yaku Island. Measurements ofradiocarbon 14C concentration in tree rings (e.g., of this
1900-year-old Yaku cedar) provide information about pastvariations in solar activity. Such variations over the past threemillennia are measured and compared with variations of Earth’s
climate.

プロジェクト

Project

GEMSIS-Magnetosphere で開発された内部磁気圏モデルの計算結果の例。（左図）GEMSIS-リン
グカレント(RC)モデルは世界で初めて低周波波
動を含めた電磁場とリングカレントイオンの変動を矛盾なく記述することを可能にした数値シミュレー
ションコードで、宇宙嵐時のプラズマと電磁場変動の研究に役立ちます。(右図) GEMSIS-放射線帯(RB)モデルで計算された地球の放射線帯外帯を構成する高エネルギー電子の分布。放射線帯
変動のメカニズムを調べるため、任意の電磁場モデルの中での相対論的粒子の軌道を精度よく解けるよう工夫されています。

Project 4: Geospace Environment Modeling System for Integrated Studies – Phase II:
Investigation of Particle Acceleration and Regional Coupling Processes During Geospace Storms
ジオスペースとは、人類の活動域となりつつある、地球の影響が強くおよんでいる宇宙空間を意味しています。太陽活動極大期に頻発する宇宙嵐(geospace storm)は、激しいオーロラや放射線帯の増減、宇宙インフラの不具合等を引き起こす大規模な宇宙環境変動現象です。その発生時には通常とは異なるエネルギーおよび物質の輸送や粒子加速が起こっていると考えられていますが、そのメカニズムはよくわかっていません。GEMSIS計画では、太陽から地球に至るダイ
ナミックなエネルギーの輸送機構を理解するために、観測事実に根ざした実証型ジオスペース環境モデルの構築し、宇宙嵐時に強く発動する多圏間相互作用と高エネルギー粒子生成・消滅をになう物理機構の解明を目指しています。
また、多種多様なジオスペースの衛星観測、地上観測、数値実験のデータを効率よく利用できる総合解析ツールとデータベースを開発し、次期太陽活動極大期の国際ジオスペース探査に向けて、サイエンスセンター機能を整備する計画です。

(Left) Three-dimensional visualization of the current structure obtained from the GEMSIS-RC (ring current) model developed by the
GEMSIS-Magnetosphere team. This new simulation code is unique in the sense that enables us to solve time evolution of ions and fields
including ULF waves in the inner magnetosphere self-consistently to investigate plasma and electromagnetic field variation during geospacestorms. (Right) An example of the spatial distribution of relativistic electrons in the outer radiation belt obtained from the GEMSIS-RB (radiationbelt) model. The model precisely solves relativistic electron trajectories in arbitrary electric and magnetic field models of the innermagnetosphere.

"Geospace" represents the near-Earth space where the influence of Earthis noticeable. The geospace storms, which often take place during thesolar maximum, are drastic variation of the space environment caused bydynamic solar activities such as CMEs. During the geospace storms,
enhanced regional couplings in the solar-terrestrial system and dynamic
energy and mass transport, resulting in change of Earth's radiation belt
and various space weather phenomena, are known to take place.
However, mechanisms responsible for the dynamic variation are far fromunderstood. The GEMSIS project aims at understanding of physicalmechanisms of the particle acceleration and regional couplings in thesolar-terrestrial system during the geospace storms on the basis ofobservation-based integrated models. Another important task of the
project is development of the science center function for geospace studies
that facilitates the close collaboration between the satellite, ground-based
observation, and theory/simulation/modeling by providing integrated data
analysis tools and combined database.

ジオスペースを含む太陽地球系の概念図。GEMSIS計画では、太陽、磁気圏、電離圏の３つのコアチームを中心に、ジオスペース各領域の実証型モデルを構築し、宇宙嵐時に強く発動する多圏間相互作用と高エネルギー粒子生成・消滅をになう物理機構の解明を目指しています。
A schematic illustration of the Sun-Earth System. In order to understand physicalmechanisms of regional couplings and particle acceleration/loss taking place in thecomplicated Sun-Earth system, the GEMSIS project has been carried out by threeworking teams: The GEMSIS-Sun, GEMSIS-Magnetosphere, and GEMSIS-Ionosphere.

GEMSIS-Sunで開発された太陽フレアの粒子加速シミュレーショ
ンの結果(フレアループの右半分のみ表示)。加速された高エネ
ルギー電子の数密度分布を表しています。太陽フレアにおいて、高エネルギー電子が、どこでどのように作られるかを理解するのに役立ちます。
Spatial distribution of high-energy electrons in a solar flare (a half of aflare loop), obtained from a particle-acceleration simulation developed in
the GEMSIS-Sun project. This is very useful to understand where andhow electrons are accelerated in a solar flare.

GEMSIS-Ionosphere：先端的な統計手法を用いて人工衛星観測から導き出した電離圏高度での磁力線に沿って流れる大規
模電流の分布モデル (惑星間空間磁場が南向き3 nT, 太陽風
速度が450 km/s の場合)。
Global distribution model of large-scale field-aligned currents derived
from a huge amount of data from satellites with an advanced statisticalscheme.

放射線帯ダイナミクスの研究成果をもとに開発したアルゴリズムに基づきweb配信されている放射線変動の週刊予報の例。
An example of weekly forecast of the relativistic electron enhancement
at GEO. The algorithm is developed based on study of solar
wind-radiation belt coupling.

Observatory
Moshiri Observatory
大気圏環境の観測 Atmospheric Environment Observations
中緯度地域におけるオゾン層破壊の影響や地球温暖化を引き起こす温室効果
ガス増加の状況を理解するために、成層圏オゾンやオゾン破壊物質、二酸化炭
素やメタン等の大気成分を、高分解能フーリエ変換型赤外分光器（FTIR）を用いた赤外線の太陽光吸収分光観測により高精度で測定しています。また、紫外・可視分光器による成層圏二酸化窒素とオゾンの気柱全量の観測も行っています。これらの赤外及び紫外・可視分光観測は、地球規模の地上ネットワークである大気組成変化検出ネットワーク (NDACC) や CO2 地上ネットワーク観測網（TCCON）と共同し、またその一部として実施しています。また 2009 年 1 月に打ち上げられた温室効果ガス観測技術衛星「いぶき」の検証を行うためのデータとしても利用されています。
Stratospheric ozone and the species related to the ozone depletion as well as green house gases(GHGs) such as carbon dioxide and methane are measured by using a high-resolution Fourier
Transform Infrared spectrometer (FTIR) for better understandings of their temporal variations andmechanism of the ozone depletion and global warming. In addition, measurements of stratospheric
NO2 and ozone column densities are also made with a UV/Visible spectrometer. These observations
have been carried out as a part of the Network for the Detection of Atmospheric Composition
Change (NDACC), and the GHG’s data are provided to a global network of CO2 observation (Total
Carbon Column Observing Network: TCCON) and the GOSAT satellite validation program as avalidation data.

母子里及び陸別観測所のFTIR で観測された成層圏オゾンの高度別時間変動。

H(nT)

630nm(kR)

558nm(kR) 428nm(kR)Time-heightsectionofthevariations of stratospheric ozone
measured with the Moshiri and
Rikubetsu FTIRs.

0.75
0.50
0.25
0.00
0.75
0.50
0.25
0.00
4.50
3.00
1.50
0.00
75
0
-75
-150

フーリエ変換型赤外分光器。
Fourier Transform Infrared spectrometer（FTIR）.

母子里 FTIR で観測された CO2 カラム混合比時間変動。国立環境研究所との共同研究による解析データです。
Time series of XCO2 measured with the Moshiri FTIR analyzed by STEL and the
National Institute for Environmental Studies (NIES).

電磁気圏環境の観測 Ionospheric and Magnetospheric Environment Observations

9

11

13
15
17
Universal Time

19

21

18

20

32
0
2
Local Time4

6

分光フォトメータで観測された低緯度オーロラ。上から、青、緑、赤のオーロラ光の強さと地磁気変動の北向き成分。
Low-latitude aurora observed during amagnetic storm.

母子里観測所では、高感度の分光測光フォトメータを用いて、強い磁気嵐時に発生する低緯度オーロラの観測を行っています。また、磁気圏や電離圏の擾
乱を表す地磁気変動の観測を、フラックスゲート磁力計、インダクション磁力計を用いて定常的に行っています。さらに、磁気嵐や雷にともなって発生する低周波数帯（ELF/VLF）電磁放射を、大型ループアンテナで連続観測しています。これらの電磁気圏環境の観測データは国内の研究者に公開され、「宇宙天気」を知るための基礎的な資料として生かされています。
Low-latitude auroras associated with great magnetic storms have been successfully observed by
optical instruments (high-sensitivity all-sky camera and scanning/fixed-type photometers).
Geomagnetic variations are measured by using fluxgate and induction magnetometers. ELF/VLF
radio wave emissions generated by lightening and in the Earth’s magnetosphere are also recorded
routinely using a 43m loop-antenna. These data are opened to the scientific community for better
understanding of the ionospheric and magnetospheric environment and for monitoring ‘Space
Weather.’Rikubetsu Observatory
陸別観測所（りくべつ宇宙地球科学館２階）は、晴天
率が高く大気汚染も少ない理想的な観測条件に恵まれています。同観測所では、赤外線や紫外線の分光観測装置を用いたオゾン等の成層圏の大気微量成分の研究や、全天 CCD カメラ・掃天型分光計・磁力計を用いたオーロラなどの地球電磁気現象の研究を総合的に進めています。特に成層圏大気に関する研究は、国立環境研究所が同じ観測室内に設置しているミリ波放射計などのデータも用い、共同研究体制で進められています。また、NDACC（大気組成変動検出のためのネットワーク）等の国際共同プログラムでも重要な役割を果たしています。
Rikubetsu Observatory (in Rikubetsu Space and Earth Science Museum, in eastern Hokkaido) enjoys many clear-sky days and is freefrom local air pollution. Two major research projects are carried out in this observatory. One is a continuous monitoring ofstratospheric ozone and related species, based on infrared and optical spectroscopic observations. The other is a study of mid-latitudeauroral activity during major geomagnetic storms by means of the high sensitivity all-sky CCD camera, scanning spectrometers,
magnetometers and HF radar. STEL collaborates on the studies of stratosphere with the National Institute for Environmental Studies(NIES), which sponsors various instruments such as a millimeter-wave radiometer in the same observing room. Rikubetsu
Observatory is playing a key role in international collaborative programs such as the Network for the Detection of AtmosphericComposition Change (NDACC).

赤外線フーリエ分光計（左上）と太陽追尾装置（右上）。 太陽を光源として、大気中の分子の吸収スペクトルを測定し、大気中の微量成分の濃度や高度分布を調べることができます。 本装置の波長の分解能は、世界最高水準の0.0035 cm－1 を誇り、30 分で 1 セットのデータを取得できます。
The Fourier Transform Infrared spectrometer (FTIR, left) and the Sun tracker (right)that feeds sunlight into the spectrometer. Density and vertical distribution of minor
constituents in the atmosphere can be retrieved from absorption spectra against
background sunlight. Spectral data are obtained every 30 minutes at a world-classresolution of 0.0035 cm－1.

陸別観測所の高感度全天カメラでとらえられた
低緯度オーロラ。赤いオーロラ光（酸素原子、波長 630 nm）の強さを疑似カラーで表示。
Low-altitude aurora detected with the high-sensitivity
all-sky camera at Rikubetsu Observatory. This is afalse-color intensity map of the red auroral light atwavelength 630 nm emitted by oxygen atoms.

陸別上空でのオゾンの高度別時間変動（下）。極渦の到来とともに高度
22 km と 30 km のオゾンが減少して
いるのがわかります（図中のハッチをつけた期間）。上図は、北極周辺の極渦の分布。この研究は国立環境研究所のミリ波オゾン分光計のデータに基づいた共同研究です。
A time series of ozone mixing ratio atvarious altitudes (lower panel).
Theozone density at 22 km and 30 km
decreased when a polar vortex (indicatedby the hatched area) passed over
Rikubetsu Observatory. The upper
panels show distributions of polar
vortices around the North Pole. This
work
has
been
performedincollaboration with the National Institutefor Environmental Studies (NIES).

大型短波レーダーで観測した極東ロシア上空の電離圏プラズマの高速流。短波帯の電波を北～北東方向に向けて発射し、戻って来るエコ
ーを観測することにより、遠方の電離圏の構造及び変動を調べることができます。
Intense westward ionospheric plasma flow above
Far-East Russia observed by the HF radar. The radar
can cover wide horizontal area to monitor the
structure and dynamics of the ionosphere.

Observatory
Solar Wind Observatories
富士観測所、豊川分室、菅平観測施設、木曽観測施設の４地点に設置されたア
ンテナを用いて、惑星間空間シンチレーションを利用した地上からの太陽風観測が定常的に行われています。
Four stations at Fuji, Toyokawa, Sugadaira and Kiso construct four-antenna system, which
is fully dedicated to ground-based solar wind observations. The routine-based solar windobservations have been carried out using the interplanetary scintillation method.

太陽風観測４点システムの観測点の配置。
Geographical arrangement offour-antenna system.

富士観測所に設置されているシリンダー型パラボラアンテナ。アンテナは、東西に配置された 5 基のパラボラ枠からなり、枠間に直径 0.3mm のステンレス線を
3cm 間隔で張り、2000m2 のパラボラ反射面が作られています。観測は全て自動化されており、データは名古屋の研究所に準実時間で送られています。同型のアンテナが他の観測点にも設置されています。
Cylindrical parabolic antenna at Fuji observatory. The antenna consists of five parabolic
frames placed in east-west direction, with stainless wires stretched through the frame tomake a 2000 m2 reflector. Each station is fully automated and remotely controlled from
Nagoya.

微小天体からの電波は、太陽風プラズマにより散乱され、それを地上で観測すると電波強度が変動します。この現象を惑星
間空間シンチレーション(IPS)といいます。この IPS を離れて設置された複数のアンテナで観測することにより、太陽風の速度や密度擾乱の強度を測ることができます。
Radio waves from a compact radio source are scattered by electron
density irregularities in solar wind, and the scattered radio waves
interfere with each other as they propagate to the earth, producing
diffraction patterns on an observer's plane. This phenomenon is calledinterplanetary scintillation (IPS). IPS measurements with widely
separated antennas can obtain solar wind velocity and density
fluctuation level.

IPS 観測は、長期にわたる連続観測が可能で、11 年の太陽活動周期と共に変動する太陽圏の構造を求めることができます。また、多くの電波源を観測することにより、飛翔体が観測できない太陽近傍や惑星公転面から高く離れた高緯度を吹く太陽風まで、太陽風の３次元構造を短期間に求めることができます。

IPS 観測データを計算機トモグラフィー解析して得られる太陽風の緯度・経度分布。

The IPS observations have several advantages over spacecraft measurements. They can beused consistently for a long-term study of the solar cycle dependence of the solar windstructure. In addition, since a large number of IPS sources are available, vast regions ofinterplanetary space can be probed in a relatively short time.

Solar wind velocity distribution in Carrington
longitude and heliographic latitude. Computerassisted tomographic analysis was applied toderive this map from the IPS observations.

Kagoshima Observatory
九州南端の桜島火山の近くに位置する鹿児島観測所では、他大学と共同で ELF/VLF 電波観測機器、磁力計、大気光全天カメラなどによる観測を実施し、超高層大気、電離圏、地磁気などの擾乱現象の研究を行っています。
Kagoshima Observatory is located in southern Kyushu, near
Sakurajima volcano. Routine observations for the study of Earth’s
ionospheric, upper atmospheric, and electromagnetic environment are
being carried out by using ELF/VLF receivers, magnetometers, andall-sky cameras in collaboration with other universities.

鹿児島観測所全景（背後は桜島）。
Kagoshima Observatory near Sakurajima volcano.

ELF/VLF 受信アンテナと地磁気観測小屋。
ELF/VLF antennas and geomagnetic observation hut.

超高層大気中の高度 80-100 km 及び 200-300 km に存在する原子・分子が夜間に発する微弱な光（夜間大気光）を撮像するための高感度全天 CCD カメラ部（右下）、カメラ用魚眼レンズ（右上）及び観測小屋（左）。小屋には高度 80-100 km の温度を測る装置も設置されています。観測場所は鹿児島県佐多町。観測は完全自動化されており、データは準実時間で名古屋の研究所に送られます。
All-sky CCD camera (lower right), fish-eye lens (upper right) for the camera, and observation hut (left). The camera can automatically observenightglow from various atoms and molecules at altitudes 80-100 km and 200-300 km in the upper atmosphere.

N

E

N

N

W

E

Sata
佐多の 557.7 nm 全天カメラが捉えた、高度 95 km 付近の大気光波動構造。波動のスケールは 15-20 km。
Wavy structures with scales of 15-20 km at
altitude 95 km, as detected with a 557.7 nm
all-sky camera at Sata.

Darwin佐多（左）と、その地磁気共役点であるオーストラリア・ダーウィン（右）に設置されている 630 nm 全天カメラで初めて同時観測された巨大な電離圏プラズマバブ
ル。サボテン状の黒い部分がプラズマバブルで、その中の電子密度は極端に低い。バブルの最高高度は、磁気赤道で 1700 km に達します。
Giant plasma bubbles (dark regions) in the ionosphere observed simultaneously with 630
nm all-sky cameras at Sata (Kagoshima prefecture) and Darwin (Australian geomagnetic
conjugate point of Sata). The apex altitude of the bubbles is about 1700 km over thegeomagnetic equator.

Overseas Observations

2005 年 12 月に拡張されたブラジル宇宙線計。1 平米の検出面積をもつプラスチック・シンチレータ 28 台が上下 2 層にそれぞれ設置されており、間に 5cm 厚の鉛層が敷かれています。
A large muon detector with a 28 m2 detection area was installed in
December 2005 in the main building of the Southern Space
Observatory of INPE, Brazil.

2010 年９月に南米アルゼンチン・リオガジェゴスに設置されたミリ波観測施設（右側のコンテナ）。成層圏オゾンからの微弱なミリ波電波を観測し、南極オゾンホールが中緯度地域に及ぼす影響を調査します。
An newly constructed observation site at Rio Gallegos, Argentina,
where a millimeter-wave radiometer was installed in September
2010, and an ozone spectrum from the stratosphere has beenmeasured in order to investigate the influence of the Antarctic ozone
hole on the mid-latitude region.

タイのチェンマイ大学に設置した光学観測装置。超高層
大気が発する微弱な光を分光観測することにより、超高層大気の風速を観測しています。
Optical instruments installed at Chiang Mai University,
Thailand. Wind velocity in the upper atmosphere is measured
through the Doppler velocity of the airglow which is a weakemission from the upper atmosphere.

ニュージーランド・マウントジョン天文台に設置された
MOA 1.8m 望遠鏡。主焦点に有効面積 12cm×15cm の
大型 CCD カメラを設置し、常時マイクロレンズ事象の探索を実施しております。マイクロレンズ法により、これまでに１０個の太陽系外惑星を発見しました。
MOA (Microlensing Observations in Astrophysics) 1.8 m
telescope installed in Mt. John Observatory, New Zealand.
Using 12 cm x 15 cm prime focus CCD camera, microlensing
surveys are being executed. Until now, 10 extrasolar planets
have been discovered with microlensing method.

Organization
ジオスペース研究センター

名古屋大学太陽地球環境研究所
附属施設

Geospace Research Center

Solar-Terrestrial Environment Laboratory
Nagoya University
Subsidiary Facilities

マネジメント部Management Section

沿革

History

1990（平成 2）年 6 月
名古屋大学太陽地球環境研究所（全国共同利用）設立。

プロジェクト推進部
Research Projects Section

The Solar-Terrestrial Environment Laboratory (STEL) wasestablished.

1995（平成 7）年 4 月
共同観測情報センターが発足。

母子里観測所
Moshiri Observatory

The Center for Joint Observations and Data Processing wasorganized.

1997（平成 9）年 10 月
陸別総合観測室が発足。

陸別観測所
Rikubetsu Observatory

The Rikubetsu Observational Facility was organized.

2003（平成 15）年 4 月
陸別総合観測室を発展させた陸別観測所が発足。

富士観測所

The Rikubetsu Observatory was organized.

Fuji Observatory

2004（平成 16）年 4 月
国立大学法人名古屋大学が発足。

鹿児島観測所

The National University Corporation Nagoya University waslaunched.

Kagoshima Observatory

ジオスペース研究センターが発足。
The Geospace Research Center was established.

Locations① 母子里観測所 Moshiri Observatory

名古屋大学太陽地球環境研究所
附属ジオスペース研究センター〒074-0741
北海道雨竜郡幌加内町字母子里北西3
TEL: 0165-38-2345 FAX: 0165-38-2412

Geospace Research Center
Solar-Terrestrial Environment Laboratory
Nagoya University② 陸別観測所 Rikubetsu Observatory1〒464-8601
名古屋市千種区不老町
TEL: 052-747-6306 ㈹ FAX: 052-747-6313
Furo-cho, Chikusa-ku, Nagoya 464-8601 Japan
TEL: 81-52-747-6306 FAX: 81-52-747-6313

2〒089-4301
北海道足寄郡陸別町宇遠別
TEL: 0156-27-8103 FAX: 0156-27-8103③ 富士観測所 Fuji Observatory〒401-0338
山梨県南都留郡富士河口湖町富士ケ嶺1347-2
TEL: 0555-89-2148 FAX: 0555-89-2829

豊川分室
Toyokawa Branch〒442-8507
愛知県豊川市穂ﾉ原3-13
TEL: 0533-89-5206 FAX: 0533-86-0811④ 鹿児島観測所 Kagoshima Observatory

研究所本部（名古屋）

菅平観測施設
木曽観測施設

3

豊川分室
4〒891-2112
鹿児島県垂水市本城字下本城3860-1
TEL: 0994-32-0730 FAX: 0994-32-3066