高精細プラズマバブルモデルと全球大気圏電離圏モデルの融合

概要

高精細プラズマバブルモデルと全球大気圏電離圏モデルの融合
Integration of high-resolution plasma bubble model and whole atmosphere-ionosphere model
研究代表者：横山竜宏

（京都大学生存圏研究所）
yokoyama@rish.kyoto-u.ac.jp

研究分担者：陣英克

（情報通信研究機構）
jin@nict.go.jp.jp
担当：全球大気圏電離圏モデル (
G
A
I
A
)の開発・実行

品川裕之

（情報通信研究機構）
sinagawa@nict.go.jp
担当：全球大気圏電離圏モデル (
G
A
I
A
)の開発・実行

劉鵬

（京都大学生存圏研究所）
liu.peng.35a@st.kyoto-u.ac.jp
担当：機械学習による電離圏擾乱現象の検出

研究目的 (Research Objective):
電離圏のプラズマは、その運動が中性大気との衝突によって強く支配されているた
め、中性大気と電離大気の相互作用を解明することは電離圏の物理過程を理解する上
で非常に重要である。特に、下層大気で励起された大気重力波は、電離圏高度で大き
な振幅を持つため、電離圏の変動に重要な役割を果たすと考えられている。また、局
所的なプラズマ密度の不規則構造を伴う電離圏擾乱が発生した場合には、電波の振幅、

(
)
GPS 等による電子航法に障害を
位相の急激な変動シンチレーションが生じるため、
及ぼすことが知られている。このような電離圏擾乱の発生機構を解明し、発生を事前
に予測することが、科学・実用の両面から求められている。本研究では、特に深刻な
障害の原因となる赤道スプレッド F （プラズマバブル）の生成機構解明と発生予測を
目指し、低緯度電離圏数値モデルを用いたプラズマバブル生成に関する研究を実施す
る。全球の大気圏電離圏結合モデルである GAIA モデルに高分解能のプラズマバブル
モデルを階層的に結合させ、現実的な背景の条件においてプラズマバブルの発生条件
について検討を行う。

計算手法 (Computational Aspects):
地球電離圏は弱電離プラズマ気体であり、地球磁場と中性大気との衝突の影響によ
りイオンと電子は異なった運動を示し、導電率に異方性を持つ。従って、イオンと電
子の 2 流体を考慮する必要があり、イオンと電子の速度差から得られる電流密度の発
散が 0 となる条件から電離圏内で発生する電場を求めることができる。その電場を用
いてイオン速度を求め、プラズマ密度の連続の式から 1 時間ステップ後のプラズマ密

-3
7-

度分布を更新する。現在までに開発されてきた High-Resolution Bubble (HIRB)モデ
ルに改良を加えることで、全経度範囲をカバーする数値モデルの作成を目標とする。
正イオンとして NO+(E 領 域) と O+(F 領 域)の 種2類 を 与 え る 。 磁 気 赤 道 を 中 心 と
するダイポール座標系を用い、磁気赤道上で高度 88-1270km 、緯度方向に約 20 度の
計算領域を確保する。昨年度には、計算領域を全経度域に拡張し、周期境界条件を仮
定しないモデルの開発を行った。計算領域の増加により計算量・時間ともに大幅な増
大が見込まれるため、計算の高速化も重要な開発課題である。

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研究成果（ Accomplishments

今年度は計算機システムの更新の影響により、十分な計算時間を確保することがで
きなかった。そこで、これまでの赤道大気レーダーと MU レーダーによる長期間の観
測データを解析し、現象の発生傾向について観測面から整理した。プラズマバブルの
太陽活動依存性や季節依存性が明確に示され、今後のシミュレーション研究との比較
に有用であると考えられる。また、長期間のデータの解析のために、機械学習による
現象の自動検出モデルの開発を進めている。大量データの学習にも K D Kを利用する
ことを計画している。
公 表 状 況 (Publications )::
（論文）

1. Yokoyama, T., R. Takagi, and M. Yamamoto, Solar and geomagnetic activity dependence of
a
r
t
h
,P
l
a
n
e
t
s
150-km echoes observed by the Equatorial Atmosphere Radar in Indonesia, E
andS
p
a
c
e
,74, 113, doi:10.1186/s40623-022-01675-6, 2022.
2. Liu, P., T. Yokoyama, W. Fu, and M. Yamamoto, Statistical analysis of medium-scale
traveling ionospheric disturbances over Japan based on deep learning instance
e
a
t
h
e
r
,20
segmentation, SpaceW
, e2022SW003151. doi:10.1029/2022SW003151, 2022.
（口頭）
1
. 横山竜宏，高木理絵子，山本衛，赤道大気レーダーで観測された 150kmエコーの

太陽・地磁気活動依存性，第 152 回地球電磁気・地球惑星圏学会講演会［相模原：
2022年 1
1月
］
．
2
. 横山竜宏，高木理絵子，山本衛，赤道大気レーダーで観測された 150kmエコーの

太陽・地磁気活動依存性，第 1
5 回 MU レーダー・赤道大気レーダーシンポジウム
[
V
i
r
t
u
a
l
:2022年 9月
］
．
3
. 横山竜宏，増田秀人，劉鵬，山本衛， MUレーダー観測とイオノゾンデ自動読み取

りシステムを用いた電子密度の長期統計解析，日本地球惑星科学連合 2022 年大会

［千葉市／ H
y
b
r
i
d
:2022年 6月
］
．

4
. ...