宇宙ユニットセミナー
2008/10/30

中緯度・低緯度の電離圏研究
レーダー観測、衛星・ロケット観測

京都大学生存圏研究所
山本 衛

本日の発表内容• 研究対象– 中緯度から低緯度の電離圏• 中緯度Ｅ領域の準周期エコー• 中緯度Ｆ領域の中規模伝搬性電離圏擾乱
• 低緯度（赤道域）のプラズマバブル• 観測手段– レーダー観測 (MUレーダー、赤道大気レーダ他）– 観測ロケット (1996 SEEK-1, 2002 SEEK-2, 2007 WIND)– 衛星ビーコン観測（ディジタル受信機開発、トモグラフィ）• 将来計画Æ これらについて、紹介をさせていただきます。

2

電離圏

3

高度㎞

研究の高度領域

約300km

約100km

IRIモデルによる電子密度プロファイル

JTBが売り出している宇宙体験飛行（弾道飛行）
費用＝約1200万円 http://www.jtb.co.jp/space/Es層（スポラディックE）層が発生する。
高度100㎞付近に突発的に現れる電子密度の非常に高い薄層。内部に分極電場が生じる。

MUレーダー (滋賀県甲賀市信楽町)

4Frequency: 46.5MHz
Output power: 1MW
Antenna: 103m Φ(475 crossed Yagis)
Observation range:
2-1000km
1984年に完成した大型大気観測用レーダー
全国・国際共同利用施設

MUレーダーのアンテナ面と送受信モジュール

Frequency: 46.5MHz
Output power: 1MW
Antenna: 103m Φ(475 crossed Yagis)
Observation range:
2-1000km

5沿磁力線イレギュラリティ（Field Aligned Irregularities; FAI）•••

電離圏プラズマには密度勾配、電界、中性風速など様々な要因で発生する不安定現象がある。
プラズマ密度の粗密構造が発達して磁力線に沿って長く延びた構造を形成する。
レーダービームを地球磁場に直交させることでエコーが得られる。レーダーが観測するのは、半波長スケールの変動成分のみ。

FAI
半波長電波
地球磁場ベクトル

中緯度のFAIについて、1989年頃には、F 領域のFAI
中緯度FAIのVHFレーダーエコーは、1980年台後半にMUレーダーが初めてを見出した。大気波動を想像させる複雑な構造が発見されていた。(Fukaoet al, 1988)

E 領域のFAIスポラディックE層(E s層)の強い電子密度勾配に起因するグラディエント・ドリフト不安定によって発生する。中緯度においても、Ecklund et al (1981)をはじめ、先行研究はあった。（それほど目立たなかった）

6

F領域FAIのMUレーダー観測の例

7

E領域FAIの先行研究

8

アレシボISレーダーと小型レーダーによる観測 (Riggin et al., 1986)

スポラディックE層

ISレーダーによる電子密度の変動

E領域FAIの先行研究

50MHzレーダーによる観測
Es層とFAIエコーが対応
スペクトル幅とドップラー速度が
いわゆるType 2エコーに近い
一部にType 1エコーがある
北東方向に移動する

9

ＭＵレーダーによる初期のE領域FAI観測

11

MUレーダーによるE領域の磁力線直交観測 (June 24-25, 1989)

レンジ分解能600m
日没後の強いエコー
準周期エコー(Quasi-Periodic Echo)

時間分解能 20s
5ビーム観測日出後の弱いエコー
連続エコー

Yamamoto et al., 1991

ＭＵレーダーによる初期のE領域FAI観測

12

日没後のエコーのクローズアップ

日没後の強いエコー
準周期エコー(Quasi-Periodic Echo)

日出後の弱いエコー
連続エコー

Yamamoto et al., 1991

解くべき課題• エコーの構造– ３次元構造、特にレンジ方向に長く伸びる性質はなぜ？本当に広い高度範囲に分布しているのか？

• 準周期構造の成因– 周期性の源は何か– 電界の振舞いはどうなっているのか？
– 中性大気・電離大気のカップリングの様子は？

14準周期エコーに対する初期のモデル

15• 重力波によるスポラディックE層の高度変調によるとするモデルが提唱された。
MU radarWoodman et al. [1991]

Tsunoda et al. [1994]

SEEK観測16•••

内之浦からロケットを打上げ、種子島設置のFARレーダーと同時観測を行った。
1st launch on August 20, 1996.
• TMA wind
• Plasma density
2nd launch on August 26, 1996.
• Electric field• Plasma density

SEEK成果：電界17ロケットによる電界観
測とレーダーエコーのドップラー速度が一致

Pfaff et al. [1998]

Yamamoto et al. [1998]

SEEK成果：電子密度と風Yamamoto et al. [1998]18

Larsen et al. [1998]

残された問題点• スポラディックE層の「深い変調」モデルに否定的成果であった。
• 非常に強い電界が観測された。
• 風シアも非常に強く、KＨＩ不安定の存在が示唆された。

SEEK-2観測実施前の我々の”view”
Es layer ishorizontally (andlargely) structured.

Polarization electricfield set up in the Eslayer, propagate
upward along B0.

25

Plasmaaccumulate owing
to the polarizationelectric field. FAIs
are induced along
the B0 field.

FAIs occur in the Eslayer where density
is enhanced.
Ogawa et al. [2002]

観測ロケットS-310-31号機、32号機の連続打上げに成功(ロケット・レーダー等によるスポラディックE層統合観測SEEK-2)
打上げ日時: 2002年8月3日 23時24分 (S-310-31号機)
23時39分 (S-310-32号機)
目的: スポラディックE層と電離圏イレギュラリティの成因の究明
内容: プラズマ密度の空間構造、分極電界、中性大気風速等多数
意義: ○スポラディックE層統合観測SEEK-2の一環として実施。
○日本・米国・台湾の多くの研究者の参加が参加した。
○地上9個所からの様々な地上観測と同時実施。
○種子島に設置された2台のレーダーからのリアルタイム情報にもとづいて、最適時点での2機連続打上げに成功。

S-310-32号機

27

地球磁力線

S-310-31号機

レーダーエコー

磁力線に沿って上空(高度100～120km)に伸びた電離圏イレギュラリ
ティの構造(理論予想)

スポラディックE層 === 風とイオンの状態により、突発的に発生する電離層 ===(高度 約100km)=== 電子密度に“むら”があると考えられている ===地上観測: 京都大学、名古屋大学、東北大学、通総研、クレムソン大学、テキサス大学、SRI International、国立中央大学によって、鹿児島県、宮崎県、高知県の9個所から同時に実施された。

京都大学のレーダーによる電離圏イレ
ギュラリティエコ－の宇宙研・鹿児島宇宙空観測（NASDA・種子観測データをオンライン転送
間観測所(内之浦)から島宇宙センターに設ロケット発射置）
参加研究機関: 宇宙科学研究所、京都大学宙空電波科学研究センター、京都大学大学院理学研究科、東京大学大学院理学研究科、東北大学大学院理学研究科、名古屋大学太陽地球環境研究所、東海大学、独立行政法人 通信総合研究所、米国航空宇宙局(NASA)、コーネル大学(米)、クレムソン大学(米) 、テキサス大学(米) 、SRI International (米) 、国立中央大学(台湾)
電話連絡SEEK-2ロケットの打上げ風景(JAXA宇宙科学研究本部 内之浦宇宙空間観測所)

29

SEEK-2での準周期エコーの観測 (1)S-310-31 S-310-32
launches

Saito et al, [2005]30•

2機の観測ロケットを強いFAI準周期エコーに向かって打上げることに成功した。
(赤い矢印のときに発射)•

レーダーエコーは広いレンジ範囲に現れるが、干渉計観測より、高度100105kmにあったことがわかる。

SEEK-2での準周期エコーの観測 (2)31

Saito et al, [2005]

Trace 1: H-Z

Motion atconstant height

Trace 1: EW-NS

Southwestward
motion山川におけるNICTアイオノゾンデ観測との比較

33

Maruyama et al, [2005]•foEs – fbEs > 5 MHz whenintense QP echoesappeared. (= large spatialstructure of Es layer).

•foEs – fbEs started tofluctuate 1 hr before theonset of intense QPE.
(Period ~ 10 min,correspond to ~ 30 km
scale with 50m/s wind)Tomography of E-region density from
Double-Band Beacon (DBB) on the SEEK-2 rocket

34

2 Receivers, 1082 Samples Per Receiver
0.2 Second Time Samples, 158 meter Horizontal Range Samples
Reconstruction Grid: 1 km (H) x 1 km (V) cell size

160140

Altitude (km)1201008060

Noisy
Reconstruction4020

Altitude (km)

050

100
150200
Horizontal Range (km)10110
861054
2

1000

055

1065

Bernhardt et al, [2005]

2075

3085

4095

Horizontal Range (km)

50105

60
115

250300

20–30 km horizontal
structure of Es layer
was found by therocket beacon.

ロケットで観測されたプラズマ密度の高度分布

35•Major Es (doublelayered) was found at
103-104 km. Maximum
density was 2 x 105 /cc•

At most 9 main/sub
peaks were picked up in
the 90– 130 km heightrange.

•

Only one peak at 103 km
was seen at allmeasurements, but thedensity varied by factorof two. Other peaks
sometimes disappeared
showing large spatial
variability of plasma
density.
Wakabayashi, et al., 2005

中性大気変動の様子（TMA放出実験の写真から）
EastSouth
Rocket flight direction

38

WestTMA trail

unknown light(Picture from “Hoshinabi” magazine, February, 2003)•TMA発光雲の写真から、5 kmスケールの変動が明らかとなった。
（SEEK-2からの最大の予期せぬ成果)ÆKHIの発生に起因する中性大気の上下運動の反映と考えられる。
•弧状の発光雲の下部(90-100km)にunkown lightが現れた。

アレシボにおけるISレーダーとVHFレーダーの同時観測(upper panel) Arecibo IS radarobservations of E-region
plasma density on June 14—15, 2002.
(lower panel) Radar imaging
result from 30MHz coherent
radar at 0:39 on June 15,
2002.
Patched Es stuructures andtheir height extension werefound by ISR.
QPE extended NW-SE that isfavorable to azimuthdependent Es instability.
Hysell, et al, 2004.

39

MUレーダー超多チャンネル受信システム
高度125kmから下降する準周期エコーが観測された。

アンテナ面のサブアレイ19個を使ったイメージング観測を実現した。

S. Saito et al [2002]

40

MUレーダーによるE領域FAIイメージング••••

41

従来システムのMUレーダーではあったが、E領域FAIエコーのイメージング観測を試みた。
準周期エコーがブロッブ状（あるいは紐状）の構造からなることが確認された。
南西方向への伝搬が確認された。
エコーの水平広がりが強調される結果となった。

Hysell et al [2002]

準周期エコーとは何か?

42z 「水平構造を持った」スポラディックE層にできるFAI。夏季夜間。
z グラディエント・ドリフト不安定によるType 2エコー。
z 電子密度の不均一＋中性風によって分極電界ができる。
z スポラディックE層は複数の層から成る。分極電界は磁力線を通じて上空へ伝搬している。
z 上空の（サブ）スポラディックE層に現れるFAIは微弱。
z 準周期エコーの源（どれもありうる）
大気重力波Kelvin-Helmholtz Instability (KHI)Azimuth-dependent E-region instability (ADI)(北西－南東方向の波面生成機構として提唱されている)

衛星から地上への電波伝搬

46

人工衛星
z 電離圏ではプラズマ密度に比例して電波の屈折率が変動する。
z 衛星から発射された電波は、スネルの法則に従い、屈折しながら地上に届く。

電離層
最短距離

電波の伝搬経路

Æ ２周波数の受信から電離圏のプラズマ密度が推定可能。

本研究：電波の位相速度を使う
図2. 衛星－地上間の電波伝搬概念図

GPS-TEC: 電波の群速度を使う

GNU Radio Beacon Receiver (GRBR)

47

開発したディジタル受信機は、・ Linux PC
・ USRP ( Universal SoftwareRadio Peripheral )信号処理ハードウェア
・ GNU Radio
電波受信機用のソフトウェアツー
ルキット（フリーウェア）の組合せで構成した。
名称：GNU Radio Beacon
Receiver (GRBR)
図３．USRPの外観

GRBR装置の外観

48

図４．QFH(QuadriFilarHelicoidal)アンテナ

図６．GNU Radio搭載
Linux PC

図５．USRPと増幅器とフィルタ

Medium-Scale Traveling Ionospheric Disturbance:
MSTID (F領域に現れる顕著な波動)TEC

Airglow (630nm)

50GRBRトモグラフィ観測(2008年7月開始)

福井信楽

潮岬

51

52

YAx

Measured parameter(TEC)
Geometry Matrix
Unknown Electron density

Algebraic Reconstruction Technique (ART)xk +1= x + λkkyi − a i , x kai 2ai

λ Relaxation parameter
Yi TEC measurementsai Geometry matrix elements
Xk Electron density values at iteration # k

ITERATIVE METHODS
Algebraic Reconstruction Technique (ART)Multiplicative Algebraic Reconstruction
Technique (MART)
Simultaneous Iterative Reconstruction
Technique (SIRT)

ネットワーク観測のTEC推定例

53• 潮岬・信楽・福井で観測されたTEC推定値は良い一致を示す。夜間、中規模TIDが発生しやすい時刻には、下記に示すように、組織化されたTEC値の変動が現れる。
Satellite pass direction:
North-South

Satellite pass direction:
South-North
中規模TIDの信号が、3点のTEC観測値に組織化された波状の波形として現れている。
LT= UT+9 hrs

54

Tomographic Image

GPS-TEC map
33°N

Initial guess
IRI -2007

37°N

Vertical cuts from Tomographic image
and comparison with initial guess

TEC
comparison

55• Signatures of MSTIDs in Tomographic images• The TIDs are less intense at 2030 UT, both in
GPS maps and in tomographic images• The reconstruction using
the perturbation
component from TECs
confirms the enhanced
wave-like perturbation inthe northern latitudes.
• It also reveals the fieldaligned nature of thedisturbancesビーコン観測網の拡充プラン
稚内

電離圏常時モニタシステムの基礎となる衛星ビーコン
受信機の配置案
西観測網
全長：約450 km(H22年度に設置)

札幌
弘前

舳倉島長門(山口)

千葉

阿蘇

種子島

東観測網
全長：約1100 km (千葉まで）
約1400 km (八丈島まで)(H21年度に設置)
蔵王

福井

高崎(宮崎)

56

八丈島
潮岬

信楽(MUレーダー)中央観測網
全長：約500 km(舳倉島以外は稼働中)
台北
設置済,

本研究による設置

日本全国1000点以上のGEONETとの組合せによって、電離圏の常時モニタシステムへ成長できる。

赤道大気レーダー (Equatorial Atmosphere Radar; EAR)

従来の1ビームによる観測

EARのアンテナ群
 インドネシア共和国西スマトラ州（100.32 ゜E, 0.2 ゜S 磁気緯度:10.6 ゜S ）
 南半球低緯度で初の大型レーダー
 磁気赤道および磁気共役点での同時観測 アクティブフェイズドアレイアンテナ
 電子制御による高速走査により多ビーム観測が可能

多ビーム観測によって水平構造・時間変動を知ることが可能

58

プラズマバブル（赤道スプレッドF, ESF)

59

密度: 濃い密度: 薄い磁力線
プラズマバブル
1000 km

電離圏100 km

磁気赤道プラズマバブルの発生過程

プラズマバブルの南北断面– 電離圏下側で発生した電子密度の局所的な減少領域が、短時間で電離圏上側まで広がる現象。
– 主に夜間、日没後に磁気赤道付近の低緯度地域で発生する。
– 磁力線に沿ってチューブ状に南北に広がる。
– 電子密度の不規則構造（イレギュラリティ）を伴う。

日没後のプラズマバブルの多ビーム観測

61

プラズマバブルの問題点• 社会からの要請– 非常に強いプラズマの密度変動Æ衛星通信の阻害要因であり、GPS測位の精度を悪化させる。
– 今はGPS航空ナビゲーションからの要請が大きい。

• 問題点– 長年の研究から、季節依存性や平均的描像は分かってきた。
しかしながら、発生予測ができない。
– 予測の前に、日々変動を明らかにしたい。
– 電離圏プラズマと（電気的）中性大気の相互作用が重要。
– 磁力線を通じた電界の効果が重要• 現在の状況– 米国がC/NOFS衛星を2008年4月に打ち上げた。今後数年間の間に研究が進む可能性が高い。
– EAR完成以後、日本の研究者は東南アジア域に相当な観測網を気づいてきた。
Æこれらを有効に活かした研究を実施したい。

62

日本が主導する東南アジア域の電離圏観測網

東南アジアの赤道低緯度
電離圏観測網とSEARCH
タイ・チェンマイ(既存) SEALION,大気光イメージャ,FPI, (新設) LTPR, GRBR
タイ・チュンポン+プーケット(既存) SEALION, 磁力計(新設) GRBR

63

FORMOSAT-3/
COSMIC衛星
高度: 700-800km
緯度: ±72度
6機編隊の衛星
GPS掩蔽観測
ビーコン送信ベトナム・フーツイ+
中国・ハイナン(既存) SEALION, GPS

ベトナム・バクリウ(既存) SEALION(新設) GRBR

南北構造と対称性

磁気赤道C/NOFS衛星
高度: 400-850km
緯度: ±13度
中性風速を含む
直接観測
ビーコン送信

東西構造と伝搬
地理赤道
インドネシア・コトタバン(既存) EAR, VHFレーダー, GPS,流星レーダー, SEALION, FPI,大気光イメージャ, 磁力計(新設) GRBR

インドネシア・ポンチアナ(既存) MFレーダー, 台湾
NCUによる衛星ビーコン受信機

衛星
軌道東南アジア南北共役レーダー観測 SEARCH(South East Asia Radar experiment in Conjugate Hemisphere)

高度
500km
400km

SEARCHとは。。チェンマイにLTPRを設置、磁気共役点にあるEARやVHFレーダー他と同時観測を行う。電離圏F・E領域、流星高度の観測を実施する（太矢印：レーダービームを示す）。既設のSEALION・光学観測や衛星ビーコン観測が支援する。

ESFとは。。電子密度の空乏層が磁力線に沿って発生し、プラズマ不安定の作用で矢印方向に急激に発達する現象。

C/NOFS等の衛星観測

低緯度電離圏とは。。電子密度は磁気赤道から少し離れた緯度に分布する（赤道異常と呼ぶ）が完全対称ではない。
電界が磁力線に沿って遠く伝わり、相互作用を引き起こす。

300km
200km
100km

チェンマイ
SEALION・光学・LTPR

チュンポン
SEALION
磁気赤道コトタバン
EAR・光学・SEALION他
地理赤道64

まとめ65• 研究対象
– 中緯度から低緯度の電離圏• 中緯度Ｅ領域の準周期エコー• 中緯度Ｆ領域の中規模伝搬性電離圏擾乱
• 低緯度（赤道域）のプラズマバブル• 観測手段– レーダー観測 (MUレーダー、赤道大気レーダ他）– 観測ロケット (1996 SEEK-1, 2002 SEEK-2, 2007 WIND)– 衛星ビーコン観測（ディジタル受信機開発、トモグラフィ）• 将来計画– 赤道低緯度域でESFの日々変動を研究したい。
– GPS-TECと衛星ビーコンの組合せで電離圏モニタシステムを作ってみたい。
– ロケット観測も続けたい。2010年夏には次のチャンスがあるらしい。