磁気嵐・サブストーム時の電磁エネルギー生成・伝送メカニズムの研究

概要

磁気嵐・サブストーム時の電磁エネルギー生成・伝送メカニズムの研究
Generation and transmission mechanisms of the electromagnetic energy during storm and
substorms
研究代表者：菊池

崇

（名古屋大学宇宙地球環境研究所）
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担当： HFドップラーデータ解析・伝送線モデルによる事象解析
研究分担者：海老原祐輔（京都大学生存圏研究所）
ebihara@rish.kyoto-u.ac.j
p
担当：リングカレントシミュレーションコード開発と事象解析
研究分担者：田中 高史（九州大学宙空環境研究センター）
tatanaka@serc.kyushu-u.ac.j
p
担当： MHDシミュレーションコード開発と事象解析
研究分担者：藤田 茂
（気象大学校）
sfujita@mc-jma.go.jp
担当： MHDシミュレーションによる事象解析
研究分担者：橋本久美子

（吉備国際大学）
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p

担当：地磁気・レーダーデータ解析による事象解析

v
e and accomplishments):
研究目的と成果 (
R
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a
r
c
hObjecti
沿磁力線電流と電離圏 E層電流で構成される磁気圏電離圏電流回路は、磁気嵐・サ
ブストームのエネルギーを中低緯度赤道の電離圏へ運ぶ大動脈である (
K
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0
2
1
AGUb
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k
)。沿磁力線電流を流す一対の磁力線は完全導体とみなされ、 2導体伝送線
(2-conductor transmission l
i
n
e
)に置換される。電離圏 E層とそのリターン電流を
流す地球表層は不完全導体とみなされ、損失性伝送線 (
L
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ytransmission l
i
n
e
)で
置換される。極域電離圏と赤道電離圏を結ぶ地球電離層伝送線 (
I
G
:
ionosphere-groundtransmissionl
i
n
e
)は、極域電離圏から赤道へ広がるグローバル
電離圏へ電磁エネルギーを供給する重要なエネルギーチャンネルである。電離圏 E層
は、エネルギー伝送を担うと同時にエネルギー消費をも担う (
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0
1
4
)。エネ
ルギーの一部は地球内部へ侵入し、地表面に電位差を創りだすために、地上の電力送
電線に地磁気誘導電流 (
G
I
C
:geomagneticallyinducedc
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r
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t
)を流す。 2022年度は、
地磁気急始 (
S
C
: geomagnetic sudden commencement) と準周期 DP2磁場変動を引き
起こすグローバル電離圏電流系の一端を明らかにし、これを裏付けるために REPPUシ
ミュレーションモデルを用いて電離圏電流と電場を再現した。その結果、地上磁場変
動は、電離圏 Hall電流回路と Pedersen-Cowling電流回路で説明できることが明らか
となり、チェコと日本における HFDopplerサウンダーにより観測された電離圏電場

-7
5-

との対応から、電離圏電場が電離圏電流回路に付随して中緯度へ伝搬することを明ら
ta
l
. (
2
0
2
2
a
)、DP2に関する成果を Kikuchi
かにした。 SCに関する成果を Kikuchie
e
ta
l
.(
2
0
2
2
6
)の 2本の論文にまとめて公表した。その概要を以下に示す。

【
SC電場と電流系の観測とシミュレーション】
2021年 5月 1
2 日に発生した SCの地方時、緯度特性を南北両半球について解析し、

高 中 緯 度 SC の 原 因 と な る Hall 電 流 回 路 と 、 中 緯 度 赤 道 SC の 原 因 と な る
Pedersen-Cowling電流回路を特定した (
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l
.
,2
0
2
2
a
)。図 l上段は、北半
A
M
)と午後 (
P
M
)で観測された SCの X
, y成分を示し、図 l下段は、南
球中緯度の午前 (
H
E
Rを除く）、午前と
半球の SCを示す。 X成分は、北半球と南半球で対称的であるが (

、
） SC(- ＋)と非対称である。一方、 Y成分は、両半球共に午前と午後
午後は、 SC(+左
）
で非対称となり、また、南北両半球間で非対称である。昼間磁気赤道では、図 2（
に示すように SC(- ＋）である。中緯度の強い AM-PM対称・非対称と、南北両半球の対
称・非対称、および赤道 SCの原因となる電流回路を、図 2 （右）に示す。これらの特
性は、 X成分が Hall電流、 Y成分が Pedersen電流に因るとすることで説明される。
また、中緯度を南北方向に流れる Pedersen電流は赤道 Cowling電流と結合すること
で極赤道間の Pedersen-Cowling電流回路を構成しており、この結果、赤道では、図 2
（左）に示すように SC(- ＋）が観測される。

巴

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06:30

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40

06:45
UT

06:50

図 l．北半球と南半球の午前 (
A
M
)と午後 (
P
M
)で観測された SC。UPS、MMB、
HER、LRMは、それぞれ Uppsala, Memambetsu, Hermanas, and Learmonth を表
わす。 (
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6-

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20210512

R) - H(ABG)
EEJ = H(TI

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三

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ABG

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EEJ

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06,40

06,45

06,50

06,55

三

07,00

UT

図 2（
左
） 正午に磁気赤道 TIRで観測された SC(- ＋）と、低緯度 ABGで観測された
SC(＋)を示す。両ステーションの X成分の差である EEJ(- ＋
）
は Cowling電流による
磁場である。 (
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a
)
図 2（
右
） SC の午前・午後の対称・非対称および南北半球の対称・非対称を説明す
る高中緯度電離圏 H
a
l
l電流回路および極から赤道への Pedersen-Cowling電流回路。
(
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a
)

図 3に
、 REPPUシミュレーションモデルで再現した SCの午前（ a
)と午後 (
b
)の中緯度
電離圏電場、および赤道 SC(-+
)(
c
)を示す。このシミュレーション結果は、中緯度で
観測された電離圏電場が電離圏電流に付随して中緯度へ伝搬し、 Pedersen電流が赤道
Cowling電流に接続することにより赤道 SC(- ＋)が発生することを示している。高中

緯度磁場変動と中緯度電離圏電場、そして赤道磁場変動が互いに相似形であるのは、
電離圏電場と電離圏電流が極域から赤道ヘ一体となって伝搬するためである。
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d@48.0degand 7
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5ML
T

図 3(
a
)(
b
)は
、 REPPUシミュレーションモデルで再現
された中緯度午前と午後の SC電場を示す。 (
c
)は、磁気
赤道 Cowling電流による SC(-＋）を示し、観測された図
2の EEJを再現している。 (
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-7
7-

【
DP2 電流系の観測とシミュレーション】

Pedersen-Cowling電流回路は、周期が 1時間程度の DP2磁場変動においても成立し
ていることを、中緯度と赤道の磁力計データ解析により示した。図 4は、中緯度、ロ
シアの Paratunka (PTK 45.58

GML) 、低緯度の Okinawa (OKI 16.95 GML) および
赤道 Yap, Micronesia (YAP (EEJ) 0.51 GML) をホす (Kikuchi et al., 2022b)。 図中で、
磁場の H/D 成分を PTKH 、OKIH PTKD OKID と表記し、 EEJ ( 実 線) お よ び YAPH
( 点 線)を 示 し た 。 図 4(a)(b) では、 PTKH と PTKD の相関が高く、 cc(PTKH-D) =
-0.95 と -0.94 である。この結果は、 PTKH が Hall 電流、 PTKD が Pedersen 電流によ
ることを示している。 PTKH と EEJ の相関も高く、 cc(PTKH-EEJ) = -0.95 と -0.87
であり、 PTKH が午前中の右回りの Hall 電流によることを示している。また、 D 成
分と EEJ の相関は、非常に高く、 cc(PTKD-EEJ) = 0.98 と 0.96 、および cc(OKID-EEJ)
= 0.97 と 0.90 である。この高い相関は、 Pedersen-Cowling 電流回路が PTK から OKI
を経由して赤道に及んでいることを示している。エネルギーの観点から見ると、

Pedersen-Cowling 電流回路は、 FAC から極域、中低緯度を経由して赤道電離圏ヘエネ
ルギーを供給するエネルギーチャネルである。

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…,
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図 4 午前中 (0630-1030M
L
T
)に
PTKと OKIの H、D成分に記録され
た DP2磁場変動。 PTKH、OKIH（
実
線）および PTKD、OKID （点線）で
示す。 OKIHと OKIDは、見やすく
するために 3 倍 に し て い る 。 赤
点
道では、 EEJ （実線）と YAPH （
線）を示す。 2つの変数間の相関
係数は、枠内に c
c で示す。
(
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g
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e 2 of Kikuchi e
ta
l
.
,
20226)

観測から推定された H
a
l
l
, Pedersen-Cowling 電流回路を確認するために、 REPPU
シミュレーションによる電離圏電流の再現した (
K
i
k
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l
.
,2
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2
2
6
)。図 5は
、

O
K
Iの緯度 1
7
.
0
° MLATにおける東西 (
a
)(
b
)、南北方向 (
c
)(
d
)の H
a
l
l電流と Pedersen
電流、および、赤道 (
0
.0
° M
L
A
T
)における東西方向 Cowling電流を示す（ e
)。縦軸は

MLT、横軸はシミュレーション時間 (
h
h
:
m
m
)を示す。最初の数分間、 SCの P
Iと M
Iの
Hall/Pedersen電流が流れ、続く南向き I
M
Fにより DP2電流が 1時間程度、流れる。
P
2H
a
l
l電流は、午前で西向き、午後と夕方は東向きであり、電流密度が
東西方向の D
Pedersen電流より大きい。南向きと北向きの Pedersen電流は、それぞれ午前と午後
owling電流 (
E
E
J
)で閉じることを示している。
に卓越しており、昼間の東向き赤道 C
REPPU モ デ ル は 、 観 測 を 説 明 す る 中 緯 度 H
a
l
l 電流回路と中緯度赤道間の
Pedersen-Cowling 電流回路を再現している。
-7
8-

(
a
)

(
b
)．
QMLAT)
- Jeast(Ped硲 如 ） （17.

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図 5
. REPPUグローバルシミュレー
ションモデルによって再現された
1
7
.0
° M
L
A
T
)と赤道 (
0
.0
°
低緯度 (
M
L
A
T
)で の 電 離 圏 H
a
l
l 電流と
Pedersen 電流を示す。 (
a
)(
b
)は東
向き H
a
l
l
, Pedersen電流、 (
c
)(
d
)
は北向き H
a
l
l
,Pedersen 電流を示
)は赤道 Pedersen(Cowling)
す。（ e
電流を示す。縦軸は磁気地方時
(
M
L
T
)、横軸はシミュレーション時
閉］（hh:mm)。（Figure7ofKikuchi
e
ta
l
.
, 2022b)

公表状況 (Publications):

（論文）

1. Kikuchi, T., T. Araki, K. K. Hashimoto, Y. Ebihara, T. Tanaka, Y. Nishimura, G. Vichare, A.
K. Sinha, J. Chum, K. Hosokawa, I. Tomizawa, Y. Tanaka, A. Kadokura (2022a),
Instantaneous achievement of the Hall and Pedersen-Cowling current circuits in northern
and southern hemispheres during the geomagnetic sudden commencement on 12 May
2021, Front. Astron. Space Sci. 9:879314. doi: 10.3389/fspas.2022.879314.
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fspas.2022.879314/full
2. Kikuchi, T.; Hashimoto, K.K.; Tanaka, T.; Nishimura, Y.; T. Nagatsuma (2022b), Middle
Latitude Geomagnetic Disturbances Caused by Hall and Pedersen Current Circuits Driven
by Prompt Penetration Electric Fields. Atmosphere 2022, 13, 580.
https://doi.org/10.3390/atmos13040580 (INVITED)
3. Kikuchi, T. (2014), Transmission line model for the near-instantaneous transmission of the
ionospheric electric field and currents to the equator, J. Geophys. Res. Space Physics, 119,
doi:10.1002/2013JA019515.
（解説）
菊池崇 (
2
0
2
1
)，磁気圏電離圏複合系のエネルギー伝送一宇宙地球電磁気学入門ー，
極地研電子ライブラリー「オーロラ物理学シリーズ③」 2
0
2
1年 9月出版。

h t t ~ / 1 0 . 15094/00016389

Kikuchi, Takashi (2021), Penetration of the magnetospheric electric fields to the low latitude
ionosphere, Space Physics and Aeronomy Collection Volume 3: Ionosphere Dynamics and
Applications, Geophysical Monograph 260, Edited by Chaosong Huang and Gang Lu. © 2021
American Geophysical Union. Published 2021 by John Wiley & Sons, Inc. ...

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