磁気嵐・サブストームに伴う磁気圏高エネルギー荷電粒子変動の研究

概要

磁気嵐・サブストームに伴う
磁気圏高エネルギー荷電粒子変動の研究
Dynamics of energetic charged particles
associated with magnetic storms and substorms in the inner magnetosphere
研究代表者：海老原祐輔（京都大学生存圏研究所）
ebihara@rish.kyoto-u.ac.jp
研究分担者：田中高史
（九州大学国際宇宙惑星環境研究センター）
担当： 3次元グローバル M
H
D シミュレーションの開発
研究目的 (Research Objective):
内部磁気圏は地球の双極子型磁場が卓越する宇宙空間であり、数 eV から数十 MeV
に至る様々なエネルギーを持つ荷電粒子が捕捉されている。リングカレントを担う粒
子 ( keV) は数日間続く地磁気擾乱（磁気嵐）や人工衛星の表面帯電の原因に、放
射線帯粒子 ( MeV) は人工衛星の内部帯電の原因となるため、宇宙空間を安全に利
用するためには荷電粒子の変動、すなわち粒子の輸送・散乱・消失過程を理解するこ
とが不可欠である。 keV帯の電子やイオンはホイッスラーモード・コーラス波や電磁
イオンサイクロトロン波 (
E
M
I
C波）を励起し、放射線帯電子の加速や散乱の原因とな
るなど、粒子間の相互作用も重要である。内部磁気圏の粒子変動は複雑な連鎖過程の
結果であるから、それらを理解するためには太陽風から地球に至る広範な領域を一つ
のシステムとしてとらえる必要がある。本年度は、内部磁気圏対流の駆動源として重
要な役割を担っていると考えられる「 Region1型沿磁力線電流 (
F
A
C
)」の生成と、サ
ブストームを特徴付ける「サブストーム・カレントウエッジ型 FAC」の生成領域と過
程を調べ、両者の性質を比較した。
‘,‘、

:

00

計算手法（ Computational Aspects

グローバル 3次元 MHDシミュレーションに南向きの惑星間空間磁場を与え、 Region1
型 FACとカレントウエッジ型 FACを発生させた。沿磁力線電流を担うアルベン波のパ
ケットを電離圏側から時間について逆方向に追跡し、沿磁力線電流の生成領域と変換
過程を調べた。ただし、沿磁力線電流はアルベン波に付随して流れると考え、アルベ
ン波の波束が背景のプラズマ運動に乗った系で磁力線方向に動くと仮定した。以下の
3つの条件を満足する領域で FACが発生するとした。我々はこれを「 FACダイナモ」

と名付けた。
①プラズマが磁気張力に対して負の仕事をすること（プラズマが磁力線を引っ張る

< 0。ただし、 V はプラズマの速度、 Ft は磁気張力である。
②垂直電流から沿磁力線電流への変換がおこること。すなわち、▽ .
J
:
f
-0。ここで J
|| ||
こと）。すなわち、 V•F t

は沿磁力線電流である。

/ 0]||。ここで Eは電場
③沿磁力線電流が生成すること。すなわち、 6J6
▽xEμ
||/ t＃[-▽x
である。

-97-

ヽ
j

00

研究成果（ Accomplishments :

Region1型 FACの起源は磁気圏低緯度境界付近（フランク）にあった (
F
i
g
u
r
el
a
)
1
）。ここでは太陽風起源のプラズマが再結合したばかりの地球の磁力線を引っ張り、

低周波の電磁波動であるアルベン波を励起していた (
G
l領域）。磁気圏起源のプラズ
マも加速を受け、アルベン波の励起に関与していた (
G
2領域）。これらの領域を「フ
ランク FACダイナモ」と名付けた。
カレントウェッジ型沿磁力線電流の起源は近尾部の赤道面付近にあった (
F
i
g
u
r
e
l
b
)2)。磁気圏近尾部で磁気再結合がおこると地球向きの高速プラズマ流が発生する。
高速プラズマ流が地球に近づくと東方向と西方向に分かれ、東西方向のプラズマ流は
地球の磁力線を引っ張り、アルベン波を励起していた。我々はこの領域を「地球近傍
FACダイナモ」と呼ぶことにした。

(
a
)フランク FACダイナモ

(
b
)地球近傍 FACダイナモ
DownwardFAC

Sun
Dusk

ぐ

、F
t

》
人

Earthwardf
l
o
w

Figure 1
:(
a
) Region 1型沿磁力線電流の生成を担うと考えられる「フランク FAC

ダイナモ」の模式図心磁気圏フランク（磁気圏低緯度境界付近）で太陽風プラズマ
G
l領域）。
が再結合したばかりの地球の磁力線を引っ張り、アルベン波を励起する (
このとき磁気圏起源のプラズマが加速され、アルベン波の励起に関わる (
G
2領域） （
b
)

サブストーム・カレントウエッジ型沿磁力線の生成を担うと考えられる「地球近傍 FAC
ダイナモ」の模式図鸞磁気圏近尾部で発生した磁気再結合に伴い、地球向きの高速
流（大きい黄色の矢印）が発生する。その流れは東西方向に分流し（小さい黄色の印）、
磁力線を引っ張る。磁気張力（青色の矢印）と反対方向にプラズマは運動するため、
磁気張力に対して負の仕事をする。すなわちアルベン波を励起する。

-98-

Region1型 FACの生成を担うと考えられる「フランク FACダイナモ」とカレントウ
ェッジ型 FACの生成を担うと考えられる「地球近傍 FACダイナモ」は全く異なる領域
にあるが、上記の FACダイナモの要件を満たしているという点で共通している。ほか
に共通する特徴をあげる。

1. 磁力線電流の生成率は次式で与えられる。
BJ
t= -(V×V×E) ||/μo
||/o
=―
)||/μ0
▽||(• •E)/μ0 + (V2 E
右辺第 1 項はシアーに関する項である。右辺第 1 項と第 2 項の寄与はともに
大きいことから、沿磁力線電流は必ずしもシアーによって作られるとは限ら
ない。
2.

「
J・E< 0」で定義されるダイナモ領域と一致しない。「J・E」はプラズマ速度
と磁気張力の内積とプラズマ速度と磁気圧力の内積に分解できる。沿磁力線
電流の生成に直接関わらないと思われる後者の寄与が大きいためである。

3. ごく一部を除きプラズマは常に動いているため、アルベン波は磁力線に沿っ
て伝わるとは限らない。アルベン速度が低い外部磁気圏や磁気圏境界以遠で
は特に顕著である。つまり、沿磁力線電流が流れている電離圏から磁力線に
沿ってたどっても、沿磁力線電流の生成領域 (
F
A
Cダイナモ）にたどり着くと
は限らない。
これらの FACダイナモ領域で生成した沿磁力線電流（アルベン波）はプラズマに乗っ
た系で磁場方向に伝わり、極域電離圏に流入する。これらの FACダイナモは太陽風の
エネルギーを極域電離圏に導く要であると言える。また、サブストームの成長相は「フ
ランク FACダイナモ」が、拡大相は「地球近傍 FACダイナモ」が駆勁していると考え
られ、サブストームの発達を理解する上でも重要と言える。

謝辞（ Acknowledgements ）:
銭谷誠司博士から有益な助言をいただきました。お礼申し上げます。
公 表 状 況 (Publications )::
1. Y. Ebihara and T. Tanaka (2022). Where is Region 1 field-aligned current generated?, Journal of
Geophysical Research: Space Physics, 127, e2021JA029991. doi:10.1029/2021JA029991.
2. Y. Ebihara and T. Tanaka (2023). Generation of field-aligned currents during substorm expansion: An
update.

Journal

of

Geophysical

Research:

doi:10.1029/2022JA031011.

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Space

Physics,

128,

e2022JA031011. ...

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