J. Plasma Fusion Res. Vol.89, No.8 (2013)５
３６‐５４３

解説

波動粒子相互作用による放射線帯相対論的エネルギー電子の生成機構とその人工衛星観測による実証に向けてStudy on the Generation Mechanism of Relativistic Electrons Due toWave-Particle Interactions in the Radiation Belts Via Spacecraft Observation
三 好 由 純１），加 藤 雄 人２），小 嶋 浩 嗣３），疋 島

充２）

MIYOSHI Yoshizumi, KATOH Yuto, KOJIMA Hirotsugu, HIKISHIMA Mitsuru
１）

名古屋大学太陽地球環境研究所，２）東北大学大学院理学研究科，３）京都大学生存圏研究所（原稿受付：２
０
１
３年６月３
０日）

地球の周りの宇宙空間には，放射線帯と呼ばれる MeV を超える高エネルギー粒子が捕捉されている領域が存在する．この放射線帯の相対論的高エネルギー電子の加速メカニズムについてはまだ解明されていないものの，ホイッスラーモード波と電子とのサイクロトロン共鳴による相互作用（波動‐粒子相互作用）とその非線形効果が重要な役割を担っていることが指摘されている．この放射線帯電子の加速メカニズムを明らかにするために，現在，日本では科学衛星観測を中心とした，ERG（Exploration of energization and Radiation in Geospace）と呼ばれるジオスペース探査計画が推進されている．そして，この ERG 衛星に，プラズマ波動と粒子とのエネル
ギー交換過程を直接かつ定量的に観測する世界で初めての装置（SWPIA）が搭載される．本解説では，ERG プロ
ジェクトの概要について紹介した後，ホイッスラーモード波と電子との非線形相互作用の理論的背景，および現
在開発中の SWPIA の概要を紹介する．
Keywords:
radiation belts, space weather, particle accelerations, wave-particle interaction, whistler mode waves,satellite observations,computer simulations

１．放射線帯線帯研究の現状については，文献［１‐３］なども参照いただ

ジオスペースとも呼ばれる地球周辺の宇宙空間，その中きたい．

でも静止軌道よりも内側の領域には，図１に示すように

この相対論的電子の加速機構として，大別して次の二つ

MeVを超える荷電粒子が捕捉されている放射線帯（ヴァンの機構が考えられている．一つは，断熱加速（ベータトロ

アレン帯）が存在する．放射線帯は，イオン，電子についン加速）である．放射線帯の高エネルギー電子は，通常でて存在しているが，電子放射線帯は，地球半径の約 1.5 倍をは第一断熱不変量（磁気モーメント）を保存するという性

中心に分布している内帯と，約 4 Re（1 Re は地球半径）を中心に分布している外帯から構成されている．この放射線帯の電子は，人工衛星の帯電を引き起こすため，宇宙機の安全な運用に影響を及ぼす．このため，放射線帯電子フ
ラックス変動の予測は，現在の宇宙天気研究の最重要課題の一つと位置づけられている．
図２上に日本の「あけぼの」衛星が観測した放射線帯電子の変動を，図２下に Dst 指数と呼ばれる宇宙嵐（磁気嵐）の指標を示す．宇宙嵐が起こると Dst 指数は負に大きく変化し，放射線帯外帯は消滅する．その後，Dst 指数が再び回復するのに伴って，放射線帯外帯電子のフラックスが増加
をはじめ，外帯が再形成されていく．外帯が回復する過程
は，放射線帯の相対論的なエネルギーの電子を作り出すな
んらかの加速機構が働いていることを意味しているもの

図１の，具体的な加速機構についてはまだわかっておらず，現在の磁気圏物理学の最重要課題の一つとなっている．放射放射線帯電子フラックスの分布図．内側のベルト状の構造が内帯，外側のベル ト 状 の 構 造 が 外 帯 と 呼 ば れ て い る（NASA TM 2002 211613）．

Coresponding author’s address: Solar-Terrestrial Environment Laboratory, Nagoya University, Nagoya, AICHI 464-8601, Japan
Coresponding author’s e-mail: miyoshi@stelab.nagoya-u.ac.jp

５３６!2013 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Commentary

Study on the Generation Mechanism of Relativistic Electrons Due to Wave-Particle Interactions

図３

図２ 「あけぼの」衛星が観測した 2500 keV 以上のエネルギーをもつ電子フラックスの変動．横軸は１９９３年１月１日からの日数を表す．（上段）縦軸はL 値と呼ばれる磁力線を表す指標であり，たとえば L = 6 は赤道面で地球半径の６倍の場所を通過する磁力線に対応する．色でフラックスの量を表し，赤いほどフラックス量が多い．（下段）宇宙嵐（磁気嵐）の指標である Dst 指数の変化．Dst 指数が負に大きくふれると，大きな宇宙嵐が起きていることを表している．

Y. Miyoshi et al.

内部磁気圏におけるエネルギー階層間結合の概念図．数十
keV の高温電子がホイッスラーモード波を励起し，そのホイッスラーモード波が準相対論的なエネルギーの電子を相対論的なエネルギーまで加速して，放射線帯外帯を形成す
る．また，背景の熱的プラズマの変化がホイッスラーモー
ド波の伝搬や共鳴条件に大きな影響を及ぼす．したがって，eV から MeV にわたる６桁以上異なるエネルギー階層のプラズマ粒子群が，プラズマ波動を介して動的に結合するエネルギー階層間結合が放射線帯電子の変化を作り出すために重要であると考えられている（図は［１］より）．

質があるため，地球から遠く磁場の弱い場所にあった電子
が，ジオスペース中の電磁流体（MHD）波動との共鳴相互も関係する．ジオスペースにおいては，背景プラズマ密度作用等によって，地球に近い磁場の強い場所に運ばれてくは，主として電離圏起源の 1 eV 以下の熱的プラズマによっることによってそのエネルギーが増加し，放射線帯外帯をて担われており，この熱的プラズマの変化が放射線帯電子形成する［４］．

の加速に影響を及ぼすことになる．このように，放射線帯

もう一つの考え方は，ホイッスラーモード波によるサイのダイナミクスには，eV から MeV までの様々なエネル

クロトロン共鳴によって，電子の第一断熱不変量が破れる

ギー階層のプラズマ粒子がプラズマ波動によって動的に結ことによる非断熱的な加速である．これは１９９０年代の終わ合し相対論的な電子を作り出す「エネルギー階層間結合」

りに提案された新しい考え方で，現在大きな注目を集めてが重要であると考えられている．

いる［５，６など］．この加速過程で興味深い点は，図３に示

２．ERG 計画

すようにジオスペースに存在する様々なエネルギー階層のプラズマが加速に関係していることである．この過程でこのような放射線帯電子の加速・消失機構の謎と宇宙嵐

は，もともと数百 keV の準相対論的なエネルギーの電子と呼ばれるジオスペースの擾乱現象を解明するため，日本が，ホイッスラーモード波によって加速され MeV のエネ

では現在，ERG と呼ばれるジオスペース探査計画が進めら

ルギーに至ったと考えられているが，このホイッスラー

れている［７］．

モード波自身は，さらに低いエネルギー階層である数 keV

この ERG プロジェクトは，図４左に示すように 「人工から数十keVの高温電子のもつ温度異方性によって励起さ衛星」による宇宙プラズマの直接観測，「磁場」，「光学」，

れているとされている．つまり，数十 keV の高温電子が持「レーダー」といった地上からのリモートセンシング観測，つエネルギーがプラズマ波動を介して，さらに高いエネル

そしてシミュレーションによる理論・モデル計算をあわせギー階層へと輸送されていることになる．また，ホイッス

た３つの研究グループから構成され，太陽地球系科学分野

ラーモード波の伝搬や共鳴条件には，背景のプラズマ密度の様々な研究手法を結集して，放射線帯電子のダイナミク

図４

ジオスペース探査ERG計画の概念図．（左）ERG計画は，人工衛星による宇宙空間プラズマの直接観測，地上からの観測によるリモー
トセンシング，そしてシミュレーションの３つの研究チームから構成されている．
（右）地球磁気圏を飛翔する ERG 衛星の想像図（!ERG プロジェクト）．

５３７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.89, No.8 August 2013

表１ ERG 衛星に搭載される理学観測機器．
ERG 衛星搭載 電磁界波動観測器．
機器名
電界
磁界
磁界
ERG 衛星搭載
電子

イオン

観測周波数範囲
DC ― 10 MHz
DC ― 128 Hz
10 Hz ― 100 kHz

PWE
MGF
PWE

計測センサー
ワイヤーアンテナ
フラックスゲート磁力計
サーチコイル磁力計

プラズマ粒子観測器．

機器名
XEP-e（超高エネルギー電子観測器）
HEP-e（高エネルギー電子観測器）
MEP-e（中エネルギー電子観測器）
LEP-e（低エネルギー電子観測器）
MEP-i（中エネルギーイオン観測器）
LEP-i（低エネルギーイオン観測器）

観測エネルギー範囲
600 keV ― 20 MeV
70 keV ― 2 MeV
10 keV ― 80 keV
12 eV ― 20 keV
10 keV/q ―180 keV/q
10 eV/q ― 25 keV/q計測センサー
Si SSD + GSO シンチレーター
多層 Si SSD
カスプ型静電分析器（APD）
トップハット型静電分析器
カスプ型静電分析器（飛行時間型質量分析器，APD）
トップハット型静電分析器（飛行時間型質量分析器）

スと宇宙嵐の解明をめざしている．
図４右 に，ERG 衛 星 の 外 観 図 を 示 す．ま た，表１に，
ERG 衛星に搭載される理学観測器を示す．宇宙空間で，その場に存在するプラズマ粒子や電場・磁場・プラズマ波動を観測するためには，それぞれの特性にあわせた観測器を人工衛星に搭載する必要がある．ERG 衛星は，４種類の観測器によって 12 eV から 20 MeV までのエネルギー帯の電子を，２種類の観 測 器 に よ っ て 10 eV/q か ら 180 keV/qまでのエネルギー帯のイオンをイオン種ごとに計測する．
また，ERG 衛星は，電界と磁界の観測も同時に行う．ジオ
スペースには，背景電磁場に加えて，MHD 波動のような低周波プラズマ波動から，ホイッスラーモード波や高域混

図５ （上段）クラスター衛星が内部磁気圏で観測したホイッス
ラーモード・コーラス放射のスペクトル［８］．（下段）
電子
ハイブリッドコードを用いた計算機実験により再現された
コーラス放射［１０］．

成周波数波（Upper Hybrid Resonance Wave）などの高周波プラズマ波動まで様々な種類のプラズマ波動が存在す
る．その た め，ERG 衛 星 で は，電 界 は DC か ら 10 MHz
まで，磁界は DC から 100 kHz までを計測する機能を有している．

下）と，その結果に基づく非線形波動成 長 理 論 の 提 案［１１，１２］により，ホイッスラーモード波の励起からコーラ

３．ホイッスラーモード・コーラス放射の励起と相対論的電子加速

ス放射の発生に至るまでの物理素過程の解明が進みつつある．このコーラス放射は，地球磁気圏だけでなく，木星や１章で述べたように，放射線帯の相対論的なエネルギー

土星などの惑星磁気圏においても広く観測されており，双をもつ電子の加速メカニズムの一つとして，ホイッスラー

極子型の磁場をもった磁気圏においては普遍的な存在であモード波による加速が考えられている．ホイッスラーモー

ると考えられている［１３，１４］．

ド波の中でも特に重要とされているのが，非線形波動粒子

近年，新たに提案されたコーラス放射発生過程のモデル

相互作用により生成される「コーラス放射」である．このでは［１１，
１２］，速度位相空間での「電磁電子ホール」の形成

コーラス放射は磁気赤道領域を発生源とし，ジオスペースと，それに伴う「共鳴電流」の形成が重要となる．電磁電をホイッスラーモードで伝搬するコヒーレントなプラズマ

子ホールの形成過程は，波動の電磁場による共鳴電子の捕波動である．周波数が時間的に変化する特徴的なスペクト

捉によって理解される．コヒーレントなホイッスラーモー

ルを示すことで知られ，主に周波数が上昇する「ライジン

ド波とのサイクロトロン共鳴における共鳴電子の運動につグトーン」（［８］；図５上）からなるが，周波数が減少する

いては，１９７０年代から理論研究が進められており（例えば「フォーリングトーン」となる例も報告されている．磁力線［８］など．また［１５］のレビューを参照），ここでは，まずそ沿いに伝搬して地上でも VLF 帯の波動として計測されるの基本的な物理を述べる．

コーラス放射は，周波数帯が可聴域にあることから夜明け

図６に，ダイポール磁場中を磁力線に平行に伝搬するホ

頃に無線機に受信される「Dawn Chorus」としても知られ，

イッスラーモード波と共鳴する電子の速度位相空間上での半世紀以上に及ぶ研究の歴史がある［９］．時間的にその周軌道例を示す．ホイッスラーモード波の電磁場ベクトルと波数が変化するという特徴的な波動スペクトルをもつコー

一定の位相関係を満たす共鳴電子は，波動により捕捉されラス放射の発生機構は未解明の問題として残されていた

るが，ダイポール磁場という背景磁場強度が非一様なジオが，近年の計算機実験による発生過程の再現（［１０］；図５

スペース内での粒子運動には，背景磁場からのミラー力が
５３８

Commentary

Study on the Generation Mechanism of Relativistic Electrons Due to Wave-Particle Interactions

Y. Miyoshi et al.

らかになった．この結果を受けて，新たな非線形波動成長
理論が提案され［１１，１２］，波動の周波数が時間的に変化することにより，共鳴電子の運動に対してミラー力と同様な影響を及ぼすことが明らかにされた．ここで，あらためて（１）式に着目すると，右辺は周波数の時間変化に関連する項と，背景磁場強度の空間変化に関連する項に分けられる
ことがわかる．磁気赤道では背景磁場の空間勾配が無視できるとし，"の値を共鳴電流の値が最大となる "#!!
!
$とすると，（１）式は次のように書きかえられる．
!#
'#%#
#
)
'
!
$ * !"! %"
#!
)
*
#(
&

（２）

共鳴電流は波動の位相に対して特定の位相関係にある共鳴粒子により形成されること，さらに，形成された共鳴電流
図６

コヒーレントなホイッスラーモード波と共鳴する電子の速度位相空間上での軌跡．S = −0.4 の条件にあたり，白抜きの領域が電子の捕捉領域となり，電磁電子ホールに相当する［１１］．

による波動振幅の成長は，"#!!
!
$の条件を満たす特定の波動エレメントに対してもたらされることに注意すると，（２）式は，特定の周波数変化率をもつ波動エレメントが選択的に成長することを示している．このモデルは，コーラ加わるため，粒子の捕捉される領域は図６に示されるよう

ス放射の発生が背景磁場強度のほぼ一様な磁気赤道においに限定的となる．捕捉領域の偏りは，次式で与えられるパて生じている事を示す計算機実験の結果を説明できる．まラメータ "により評価できる．

た，このモデルは，発生した波動エレメントの周波数変化
が理論に基づく予測と一致するなど，計算機実験結果をよ

' ))
$'
))
"#! " %"$&)$* " )* #)%!'く説明することが示されている．非線形波動成長理論の詳（１）

細については，［１７，
１８］によるレビューも参照されたい．

#
%#$!
#
，)
ここで )
!"! %"，
!#
"#&
( $
#(

新たに提唱されたこのモデルは，その後，計算機実験［１９］および衛星観測結果［２０］と比較することで検証が進められ

#

%#%
$'!&
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' #
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""(#&
%

ている．
コーラス放射の発生ならびに相対論的電子加速の双方の

#
(##'%
$'!'&
"
')
'，

物理過程で重要となる電磁電子ホールは，まだ観測的な実

#
!""
#
#
，#% は 共 鳴 速 度，#(お よ び #)
&#(
+'
"
$#)
"!%
"+$
&

証は行われていない．この電磁電子ホールの存在が，宇宙はホイッスラーモード波の群速度および位相速度，#は電空間において直接観測から実証されれば，宇宙プラズマ物

子密度の空間変化を関連付けるパラメータ［１２］，'および理学における波動粒子相互作用の理解が飛躍的に進むこと&はホイッスラーモード波の周波数および波数，$'は電子になる．

のジャイロ周波数，%は磁力線に沿った磁気赤道からの距

ここで，実際のジオスペースで生じていると考えられ離を示す．捕捉領域は "の絶対値が１以下の場合に存在

る，波動粒子相互作用による速度分布関数の変化を考えてし，図６は "#!!
!
$の条件に対応する．ここで，大半の共みる．宇宙プラズマ中でのプラズマ波動―粒子間相互作用

鳴電子は捕捉領域の外を運動する非捕捉電子となり，捕捉は，典型的には粒子のジャイロ周期やプラズマ振動周期な領域を取り巻くようにして位相空間を流れ去る．その結どに代表される，プラズマの特性周波数に関連した時間ス

果，少数の捕捉電子が存在する捕捉領域内と，捕捉領域外

ケールで推移する．ホイッスラーモード波と高エネルギーとの間に粒子数の不均一が生じ，速度位相空間内に低密度電子とのサイクロトロン共鳴を取り上げると，波動が一定領域，すなわち電磁電子ホールが形成される．電磁電子の振幅をもち，コヒーレントな場合には，波動電磁場ベク

ホールは，図６に示されるように位相空間内に非対称な構

トルと一定の位相関係を持つ共鳴電子が，波動電磁場によ造を形成することから，非ジャイロトロピックな成分が生るポテンシャルに捕捉される．波動により捕捉された電子じることとなり，結果として実効的な電流が形成される．

の速度位相空間上での運動をみると，共鳴速度を中心に，この電流は共鳴電流と呼ばれ，共鳴電流の形成が，コーラ

捕捉周波数の時間スケールで振動することとなる．この捕ス放射の非線形な成長過程において重要な役割を果たすと捉電子の運動により，電子の速度分布関数は拡散し，その考えられてきた．このことから従来の理論では，磁気赤道過程で生じる波動−粒子間のエネルギー交換の結果としよりも高緯度側の一定の磁気ミラー力が期待される領域にて，波動振幅が飽和する．これら一連の相互作用は，典型

おいて，コーラス放射が発生するものとされてきた．

的には電子のサイクロトロン周期の数百倍の時間スケールで推移する．

近年，計算機実験によってコーラス放射の発生過程が再現されたが［１０］，その結果，従来の理論的な予想とは異な一方，コーラス放射と高エネルギー電子との波動粒子相

り，磁気赤道その場からコーラス放射が発生する様相が明互作用に深く関わる，速度位相空間に形成される電磁電子
５３９Journal of Plasma and Fusion Research Vol.89, No.8 August 2013

４．ERG 衛星における SWPIA

ホールは，ホイッスラーモード波の電磁場ベクトルに対して，ある相対位相の範囲に形成されることから，速度位相

本章では，ここまで述べてきた WPIAの処理をERG衛星

空間をホイッスラーモード波と同じ周波数で回転する構造で実現する仕組みについて述べる．すでに述べたように，となる．たとえば，放射線帯外帯中心部である地球半径のWPIA は粒子観測器による観測粒子一粒毎の速度ベクトル

４倍 程 度 の 距 離 で は，電 子 の サ イ ク ロ ト ロ ン 周 期 は約

情報とプラズマ波動観測器による波動ベクトル瞬時値との100 μsec となる．典型的なコーラス放射の周波数は，電子位相差を捉えることにより，!!
"の計算を可能にする．

サイクロトロン周波数の 0.2〜0.8 倍であることから，電子

ERG 衛星では，この WPIA 処理を衛星に搭載した CPU

サイクロトロン周期の数倍程度となる．この時間スケールを用いてソフトウェアで行う．そのため，ERG 衛星に搭載は，従来の人工衛星観測で用いられてきたプラズマ計測器

されるの WPIA のことを Software-type WPIA（SWPIA）との時間分解能（典型的には衛星のスピン周期：数秒）に比呼んでいる．

べて非常に小さいため，これまでの計測器においては，電SWPIA を実現するためのブロック図を，図７に示す．

磁電子ホールの形成に起因してプラズマの速度分布関数に

SWPIA プログラムは，CPU と SDRAM および Flash mem-

現れる変動を検出することは不可能である．

ory から構成される MDR（Mission Data Recorder）と呼ば

このような宇宙プラズマ計測技術の限界を突破し，波動

れ る コ ン ポ ー ネ ン ト 上 で 実 行 さ れ る．ERG 衛 星 で は，

粒子相互作用によるプラズマ粒子とプラズマ波動間のエネ

SDRAM が 256 Mbytes，Flash memory は 32 GBytes を搭

ルギー授受を直接計測しようとするのが，波動粒子相互作載している．この MDR Flash memory に対して，衛星内通用解析装置（Wave-Particle Interaction Analyzer; WPIA）

信ネットワークで接続された粒子観測器，プラズマ波動観である［２１］．WPIA は，プラズマ波動計測器により計測さ測器から，!!
"を計算する上で必要な観測データが書き込れる３次元の電磁場ベクトルと，プラズマ粒子計測器の検まれていく．

出する個々のプラズマ粒子の３次元の速度ベクトルとを用ERG 衛星において SWPIA が利用する粒子データは，

いて，波動粒子相互作用によるエネルギー交換量を直接か

図７に示すようにエネルギー順に XEP-e，HEP-e，MEP-e

つ定量的に測定する計測装置である．計測量の一例としての各粒子観測器から供給される．一方，プラズマ波動デー

は，波動電場ベクトル !と速度ベクトル "との内積演算がタは，PWE から供給される．各機器の仕様については表１挙げられる．この演算により得られる計測量 # "&!!
"は，での記述通りであるが，特に，粒子観測器については，粒

"$
!
##
#!
""#
"%!"
"&!!
#'
#'

子加速を引き起こすと考えているコーラス放射を励起する
低エネルギー電子からその波動によって加速された高エネ（３）と表せるように粒子の運動エネルギー!の時間変化量を示




す物理量であり，個々の粒子に対する演算により得られた"#$を積算し，#$%&"! #$を求める事により，計測したそ$""の場における波動−粒子間のエネルギー交換量が計測できる．ここで %!は電子の静止質量，"は電子の速度ベクトルである．有限の数のプラズマ粒子を用いることから，求めた #$%&には統計的なゆらぎが重畳するため，演算と同時に#$%&の統計的ゆらぎの指標となる標準偏差 "を計算し比較することで，得られたエネルギー交換量の統計的有意性が評価できる［２２］．したが っ て，こ の WPIA 観 測 により，

コーラス放射の発生においてはどのエネルギー帯でどの

ピッチ角を持つ電子が最も寄与しているかを，定量的に示 すことが，初めて実現される．また，WPIA は波動電磁場
ベクトルと個々の粒子の速度ベクトルとの位相差を求める
ことができるため，波動に対して特定の位相空間に形成される電磁電子ホールに起因する速度分布関数の変動を，直 

接計測することが可能となる．WPIA により，ジオスペー
スのどの領域で，いつ，どのように波動粒子相互作用が発
図７

生し，その結果，どの程度のエネルギー交換が波動と粒子の間で行われるか，そして放射線帯の相対論的エネルギー
電子の形成にどのような役割を果たしているかを，直接かつ定量的に計測することが実現される．

５４０



 

SWPIA システムのブロックダイアグラム．SWPIA システ
ムは，衛星に搭載される CPU 上で動作するソフトウェアとして実現される．各種電子観測器（XEP-e，
HEP-e，
MEP-e），
プ ラ ズ マ 波 動 観 測 器（PWE）お よ び，磁 場 観 測 器（MGF）は衛星内ネットワークで接続され，観測データは
順次 Flash memory（32 GBytes）へと保管される．CPU
は Flash memory からデータを読み出しながら，演算処理を行う．

Commentary

Study on the Generation Mechanism of Relativistic Electrons Due to Wave-Particle Interactions

Y. Miyoshi et al.

ルギーの電子までを観測する機器が選ばれている．
一方，ERG 衛星における SWPIA の計算を行う場合，ホイッスラーモード波であるコーラス放射と粒子のサイクロ
トロン運動の関係が鍵となるため，外部磁場に垂直方向のプラズマ波動成分と粒子の速度ベクトル成分の計算が重要である．そのため 地 球 磁 場 を 観 測 し て い る 磁 場 観測器（MGF）のデータも必要となる．
次に，SWPIA がこれらのデータをどのように処理を行うかについて述べる．上述の粒子観測器は，観測した電子」，「エ ネ ル ギ ー（"）」，「セ ク
一 つ 一 つ の「観 測 時 間（&&）
ター（%）」情報等を MDR に伝送する（セクター情報は粒子センサーの視野内でどの方向からの粒子を観測したかという情報となる）．一方，プラズマ波動観測器は，プラズマ波
動電界（２成分："!，""），磁界（３成分：!!，!"，!#）の
図８

波形を連続サンプリングし，その瞬時値をMDRに，観測時間とともに伝送する（ERG 衛星のようなスピン衛星ではス
ピン軸方向に電界センサーを伸展するのが難しく，電界はスピン面内の２成分のみの計測となる．この場合，残りの１成分は，単色波であることと，プラズマ波動モードを仮定することによって，計測している電磁界５成分から算出
する）．MDR はデータを受け取ると，32 GBytes の FlashSWPIA の処理フローの例．プラズマ波動観測器で取得された波形データは，センサーや観測器の影響を受けているため，振幅・位相に関する較正が必要である．そのためには波形を一旦，FFT により周波数空間に変換し，較正後，逆FFT で時間波形に戻す，という処理を行う．SWPIA の出力データとして，エネルギー，ピッチ角，波動ベクトルと粒子速度ベクトルの位相差のそれぞれを適切な数に分割し，そのレンジ毎に計算結果を集約したものが検討されている．

memory に保存していく．すなわち，Flash memory には，
時系列により粒子，プラズマ波動の観測情報が記録されてがある．変換後，振幅・位相の較正を行い，逆フーリエ変いくが，重要なのはこの粒子の時系列とプラズマ波動の換をして正確な波形にもどすことになる（この際，ター

データ時系列は，非同期であることである．すなわち，粒ゲットとなる波動が観測されているスペクトルだけを抽出

子観測器が粒子を捕捉したその瞬間に，プラズマ波動観測

してから逆変換を行う）．

器の A/D コンバーターが波形をサンプリングしている保

観測している電磁界５成分に対して較正を行うには，証はない．既述のように ERG衛星においてコーラス放射とフーリエ変換と逆変換を合計１０回行う必要がある．この較

粒子間の位相差情報をエネルギー授受の観点で知ろうとす

正を経た後，外部磁場に対する座標変換を行い !!
"などのるとき，その時刻精度は最低でも 10 μsec が必要である．そSWPIA 計算を行う．コーラス放射は，そのスペクトルの下のため非同期データになる粒子とプラズマ波動の観測時間

限周波数から上限周波数までの変化は，速いものだと 100

情報には，それぞれ独自に 10 μsec 以内の精度が必要とな

msec 程度である．そのため SWPIA 処理は，この周波数変る．これを実現するために，粒子観測器，プラズマ波動観化に対し十分に短い時間分解能で行う必要がある．この処測器には 1.9 μsec 毎にカウントアップする時刻カウンタを理をリアルタイムで行うには電力・重量のリソース制限がもたせている．この時刻カウンタはプラズマ波動観測器の厳しい衛星上の CPU では困難である．しかし，SWPIA

波形サンプリングクロックに同期させており，これによりがターゲットとするコーラス放射は主に磁気赤道付近で観1.9 μsec の時間分解能で粒子観測データとプラズマ波動観

測されることが予想されるため，ERG 衛星が磁気赤道付近

測データとの時間を決めることができる．

を通過中にデータを Flash memory 上に記録し，その後

図８は，SWPIA が実際にソフトウェアとして処理を行

コーラス放射が観測されない時間帯において SWPIA 処理

う流れを表している．粒子観測器データは，座標変換（磁を行う，という観測計画が検討されている．
図８に示すように，SWPIA では地上に伝送する観測結場に垂直成分を求める）を行えばよいが，プラズマ波動については複雑である．!!
"の計算において，当然ながら

果の代表的な出力として，$$%'，$，# が検討されてい!そのものの振幅・位相精度が重要である．プラズマ波動

る．ここで，$$%'，$，# は，W の時間積分，標準偏差，お観測器は電子回路であり，内部には各種フィルタ，アンプ

よびカウントした粒子の個数であり，３次元の配列であをもつ．また，電界センサーの特性を示すインピーダンス

る．３次元配列になっている理由は，それぞれの物理量を，も複素数である．したがって，A/D コンバーターに至るま粒子エネルギー（"），粒子のピッチ角（!），そして波動と粒でに，観測された波形の振幅や位相は変化してしまうた子の位相角（#）において，適切な分解能で分割して計算をめ，A/D コンバーターでデジタル化された波形は，振幅・集約するからである．これによって，物理的な意味を失う

位相補正をして実際の電界値に変換する必要がある（これことなく出力データ量を減らすことができる．この分解能を較正（calibration）とよぶ）．このような観測装置によるおよびこれらの計算を行う際の時間分解能については，

振幅・位相の変化は周波数の関数であるため，較正を行う

ターゲットとなる物理現象の時間スケールと衛星テレメー

ためには，フーリエ変換を行い周波数空間に変換する必要

タ回線幅によって，最適な値を選ぶことが可能である．
５４１

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.89, No.8 August 2013

図９は SWPIA の原理検証を行うために，本解説３節において述べている計算機シミュレーション［１０］で得られたプラズマ波動と電子のデータを用いて実際に !$%&の時間変化を計算した例である．ここではエネルギー 200−400 keV
でピッチ角が１００−１１０度の電子とプラズマ波動とから !$%&
を計算している．実線は，シミュレーションで得られる!$%&であり，２本の点線は !$%&!!
!
"を示している．この#"エネルギー領域の電子は共鳴によりホイッスラーモード波にそのエネルギーをあたえるが，図９では !$%&が時間とともに大きな負の値に遷移しており，粒子がエネルギーを失って波動を励起していることが，この SWPIA の計算によって示されている．SWPIA の観測では，図９のような!$%&の時間変化だけではなく，波動ベクトルと粒子ベクト
図９ルの位相差分布も得ることができるため，図６で示したよ
うな速度位相空間内における電磁電子ホールの存在も検出できると期待される．
本研究グループでは，現在，ERG 衛星搭載用の SWPIA

コーラス放射の発生過程を再現する計算機実験の結果を用いて，SWPIA の疑似計測を行った結果の一例［１９］．エネ
ルギー 200−400 keV でピッチ角が１００−１１０度の電子とプラズマ波動とから Wint を計算している．実線は計算で得られる Wint であり，２本の点線は Wint ± 1.96"を示している．

システムの開発を進めている．また，より確実に波動粒子相互作用を捉えることができる計算アルゴリズムの考案・

参考文献

検証のため，本解説で紹介した計算機シミュレーションに［１］Y. Ebihara and Y. Miyoshi, The Dynamic Magnetosphere, edited by W. Liu and M. Fujimoto, IAGA Special
Sopron Book Series 3, doi:10.1007/978-94-007-0501-2 sub
size 6 down 10 9, Springer Science+Business Media B.
V. (2011).
［２］小野高幸，三好由純：太陽地球圏（共立出版，２０
１
２）．
［３］三好由純：放射線帯，総説：宇宙天気（柴田一成，上出洋介編著）（京都大学出版会，２０１
１）．
［４］S.R. Elkington et al., Geophys. Res. Lett. 26, 3273 (1999).
［５］D. Summers et al., J. Geophys. Res. 103, 20487 (1998).
［６］Y. Miyoshi et al., J. Geophys. Res. 108 (2003).
［７］Y. Miyoshi et al., "Dynamics of the Earth's Radiation Belts
and Inner Magnetosphere", Geophys. Monogr. Ser., 199,
edited by D. Summers et al., 103-116, AGU, Washington,
D.C. (2012).
［８］O. Santolik et al., Ann. Geophys. 26, 1665 (2008).
［９］L.R.O. Storey, Phil. Trans. Roy. Soc. London, A 246, 113(1953).
［１０］Y. Katoh and Y. Omura, Geophys. Res. Lett., 34, L03102(2007).
［１１］Y. Omura et al., J. Geophys. Res. 113, A04223 (2008).
［１２］Y. Omura et al., J. Geophys. Res. 114, A07217 (2009).
［１３］Y. Katoh et al., J. Geophys. Res. 116, A02215 (2011).
［１４］G. B. Hospodarsky et al., "Dynamics of the Earth's Radiation Belts and Inner Magnetosphere", Geophys. Monogr.
Ser., 199, edited by D. Summers et al., 415-430, AGU,
Washington, D.C. (2012).
［１５］D. Nunn, Planet. Space Sci. 22, 349-378 (1974).
［１６］Y. Omura et al., J. Atmos. Terr. Phys. 53, 351 (1991).
［１７］Y. Omura et al., "Dynamics of the Earth's Radiation Belts
and Inner Magnetosphere", Geophys. Monogr. Ser., 199,
edited by D. Summers et al., 243-254, AGU, Washington,
D.C. (2012).
［１８］大村善治：地球磁気圏からの電磁放射，総説：宇宙天

加え，プラズマチェンバー実験にも並行して取り組んでいる．

５．まとめ
本解説では，放射線帯の相対論的エネルギー電子の加速に関する研究の現状，特にホイッスラーモード波と電子との非線形波動粒子相互作用に関する最近の研究成果について述べてきた．また，その波動粒子相互作用を宇宙空間において直接検出する SWPIA システムの原理と構成を紹介した．SWPIA システムは２０１５年打ち上げ予定の ERG 衛星に搭載される予定であり，共鳴電磁電子ホールの直接検出を通して，宇宙プラズマにおけるプラズマ波動と粒子とのエネルギー交換過程を，直接かつ定量的に世界で初めて観測する．
また，このSWPIAシステムは，将来の惑星磁気圏探査への応用も検討されている．惑星探査においてはテレメトリの制限がきわめて厳しいため，波形データ等のサイズの大きなデータの取得には制限がある．SWPIA システムは，衛星機上で波動と粒子の相関処理を行うことで，きわめて小さいデータサイズにおいて非線形の波動粒子相互作用の有無を同定することが可能である．したがって，SWPIA シス
テムは，将来の惑星探査機などに搭載されることにより，
惑星磁気圏におけるプラズマ波動粒子相互作用の理解にも貢献していくことが期待されている．

謝辞

ジオスペース探査衛星（ERG）は，宇宙航空研究開発機
構宇宙科学研究所において２０１５年度の打ち上げに向けて準備が進められています．本研究は JSPS 科研費２３２
２４０１１，
２３３４０１４６，および東レ科学振興会の助成を受けたもので気（柴 田 一 成，上 出 洋 介 編 著）
（京 都 大 学 出 版
会，２０１１）．

す．

［１９］Y. Katoh and Y. Omura, J. Geophys. Res. 116, A07201

５４２

Commentary

Study on the Generation Mechanism of Relativistic Electrons Due to Wave-Particle Interactions

Y. Miyoshi et al.

よし

よし

ずみ

三 好 由 純名古屋大学太陽地球環境研究所准教授．ジ
オスペースにおける粒子加速，プラズマ波動についての研究を進めるとともに，宇宙
天気予報アルゴリズムの開発なども行っています．また，ERG 計画のプロジェクトサイエンスマネー
ジャーとして，同計画の推進にあたっています．著書に「太陽地球圏」（共立出版）など．文部科学大臣表彰若手科学者賞（H２５年度）受賞．スターバックスのシティマグを集めるのが趣味で，現在７０個になりました．

か

とう

ゆう

と

加 藤 雄 人東北大学大学院理学研究科准教授．宇宙プ
ラズマ中での波動粒子相互作用について，
主に計算機実験による研究を進めています．本稿で紹介した波動粒子相互作用計測装置（WPIA）の ERG 衛星での実現に，使命感を持って取り組んでいます．WPIA の実験室プラズマへの応用もねらって共同研究者の方々と議論を重ねています．運動不足を解消しようと週末に自転車でそぞろ歩きしています．

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み!!!!!!!!!!!!!!!!

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!!!!!!!!!!!!!!!!

［２
１］H. Fukuhara et al., Earth Planets Space, 61, 765 (2009).
［２２］Y. Katoh et al., Ann. Geophys. 31, 503 (2013).

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(2011).
［２０］S. Kurita et al., J. Geophys. Res. 117, A11223 (2012).

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
つぐ小 嶋 浩 嗣京都大学生存圏研究所准教授．科学衛星観測による宇宙空間プラズマ波動現象の研究を行っています．装置開発からデータ解析
まで衛星計画に広く関わることができて，うれしいかぎりです．そんな中で，WPIA を構想してはや１
２
年になります．ERG 衛星でその性能が発揮されるのを楽しみにしています．

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ひろ

しま

みつる

疋 島

ひき

充

東北大学大学院理学研究科，研究員．研究
分野：宇宙プラズマ波動に関するシミュ
レーション研究．現在は SWPIA のソフト
ウェア開発を行なっています．出身地は（UFO の町）石川県羽咋市．周囲が自然にあふれた地域であり，趣味を兼ねてアウトドアを始めようと思っているが，何を始めようかここ半年以上考えています．
．
．

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じま!!!!!!!!!!!!!!

こ!!!!!!!!!!!!!!

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５４３!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!