最新研究成果
ジオテイル衛星で観測された２温度プロトンの温度非等方性
---太陽風から磁気圏へのプラズマ輸送をめぐって---
西野 真木 ／ 研究員
1. 本研究の背景
近年の研究から、惑星間空間磁場(IMF)が北向きの際に、太陽風起源の冷たいプラズマが磁気圏近尾部のプラズマシートへと流入しているらしいことが分かってきた（e.g.. Terasawa et al., 1997）。特に、夕方側の磁気圏境界面付近では特徴的なプロトンの速度分布関数が観測される。すなわち、高エネルギーのプロトンと低エネルギーのプロトンとが同じ磁力線上に共存した２温度プロトンが観測される（Hasegawa et al., 2003）。この２温度プロトンは何らかのメカニズムによってプラズマが混合した結果を示しており、その高エネルギー（高温）側は磁気圏起源のプロトン、低エネルギー（低温）側は太陽風から流入したばかりのプロトンであると考えれられている。しかしながら、この低エネルギー成分の流入過程は完全には理解されておらず、近年の磁気圏物理学の重要課題の一つとなっている。
さて、一般にプラズマの温度非等方性は、そのプラズマが過去に受けた物理過程を反映している。したがって、磁気圏境界層付近のプラズマの温度非等方性を調べることで、太陽風から磁気圏へのプラズマ輸送過程の候補を絞り込める可能性がある。低エネルギーのプロトンの温度非等方性に関する過去の研究では、磁場平行方向の温度が高い場合（Traver et al., 1991）と垂直方向の温度が高い場合（Wing et al., 2005）とが報告されているが、統計的な研究は行われていない。
そこで、本研究では、夕方側の２温度プロトンに着目し、プロトンの高エネルギー（高温）成分・低エネルギー（低温）成分のそれぞれについて温度非等方性を調べることで、太陽風流入の物理メカニズムに関する何らかの知見を得たい。プラズマシートのデータにはジオテイル衛星の粒子・磁場データを用い、太陽風のデータはWindおよびACEのデータ（NASA提供）を用いる。速度分布関数のフィッティングはUeno et al. （2001）の計算コードを利用する。
2. ケーススタディ
2.1 夜側のケース
はじめに、夜側（X<0）のケースを調べる。図1は1995年3月24日 09:00-10:00 （UT、世界時）のジオテイルの観測データを示す。上から順に、プロトンのEnergy-time（E-t）スペクトログラム（太陽方向、反太陽方向）、低エネルギーのプロトンの温度（eV）、高エネルギーのプロトンの温度（eV）、各成分の数密度（/cc）を示す。E-tスペクトログラム（各時刻における各エネルギーのカウント数を色で表示してある）を見ると、プロトンの高温成分と低温成分が共存していることが分かる。（IMFは数時間以上にわたって強い北向きであった。） 温度のグラフから、低温成分は磁場垂直方向(緑色)に比べて磁場平行方向（青色）の温度が卓越していることが分かる。それに対して、高温成分はほぼ等方的な分布をしている。また、密度のグラフから、このプラズマシートでは低温成分が高温成分に比べて10倍程度も多く存在したことが分かる。
図１
発見された温度非等方性に関してより詳しく調査するため、速度分布関数を調べる。図2は09:30:10-09:30:22（UT）の12秒間に得られたプロトン速度分布関数を示す。取得された３次元分布関数のうち、磁場（赤色の直線）を含む面内での断面図を示している。プロトンの低温成分には顕著な温度非等方性が見られ、磁場平行方向のほうが垂直方向より温度が高いことに対応している。このような平行方向の温度卓越は、衛星がプラズマシートを観測していた09:11-09:59（UT）の間には例外なく観測された。
図２
2.2 昼側のケース
次に、昼側（X>0）の例を解析する。図3は1995年9月23日 07:40-08:00 （UT）の観測データである。（このケースでもIMFは数時間以上にわたって北向きであった。） E-tスペクトログラムを見ると、上記の夜側のケースと同様に、プロトンは高温と低温の２成分が共存していることが分かる。ところが、プロトンの低温成分は磁場平行方向よりも磁場垂直方向の温度が高い。つまり、温度非等方性が夜側のケースとは異なっているのである。このことは、昼間側と夜側では低温成分の流入時に異なるプロセスが働くことを示唆している。また、高温成分は低温成分と異なり、磁場平行方向より磁場垂直方向の温度が高い（1.3倍程度）。これは通常の高温成分のみのプラズマシートで見られる温度非等方性と似ており、高温成分が夜側から断熱的に輸送されたことを示唆している。
図３
速度分布関数の例（07:48:27-07:48:39 UT の12秒間）を図4に示す。夜側のケース（図２）とは異なり、低温成分(赤色付近)が磁場垂直方向へ潰れたような形をしており、磁場垂直方向の温度が高いことに対応している。
図４
3 統計解析
前章では異なる領域の例を示したが、この傾向が常に見られるのかどうか確かめるために統計解析を行う。1995年から2000年までのデータを用いて２温度プロトンを探した結果、昼側4例、夜側9例が見つかった。以降ではこの13例に関して温度非等方性を統計的に調べる。
図5は、(a) 観測地点（XY面への投影。北から見下ろした図。単位Reは地球半径6378km）、(b) 温度非等方性の空間分布、(c) 低温成分の温度の空間分布、(d) 高温成分の温度の空間分布を示す。(c)と(d)は太陽風のプロトンの運動エネルギー（1keVは約438km/s）で規格化した値を示してあり、青色が磁場平行方向の温度、緑色が磁場垂直方向の温度に対応する。
図５
(b)より、昼間側（X>0）と夜側（X<0）とでは低温成分の温度非等方性が異なることが分かる。すなわち、昼間側では磁場垂直方向の温度が高いのに対し、夜側では磁場平行方向の温度が高い。また、(c)より、夜側での強い温度非等方性は、（垂直方向の温度が低いのではなく）平行方向の温度が卓越しているためだということが分かる。
高温成分(d)は低温成分とは温度の空間分布が大きく異なっており、夜側から昼間側に向かって徐々に温度が高くなる。これは通常の磁気圏プラズマに見られる性質と同じものであり、高温成分が夜側から昼間側へと断熱的に輸送されたことを強く示唆する。同時に、磁力線に平行な成分が電離層への降下によって失われた可能性もあり、高温成分の磁場垂直方向への温度非等方性の原因の一つとして挙げられる。
4 議論
２温度プロトンの低温成分が、夜側では磁場平行方向の温度が高く、昼側では逆に磁場垂直方向の温度が高いことが明らかになった。高温成分の温度の空間分布は夜側から昼間側への断熱輸送で説明することが可能である。しかし、低温成分の温度分布は、夜側から昼側、昼側から夜側のいずれの断熱輸送でも説明することができない。すなわち、太陽風起源の冷たいプラズマのうち、昼間側に存在するものは昼間側の磁気圏境界面を横切って流入し、夜側に存在するものは夜側の磁気圏境界面を横切って流入したものであると考えられる。また、夜側には低温成分を磁場平行方向に加熱する何らかのプロセスが存在するはずである。
プラズマ輸送に関して今回の結果が意味することを議論しよう。まず、夜側について考える。磁場平行方向にプロトンを加熱するプロセスとして断熱的加熱があり（Yamamoto and Tamao, 1978）、地球からより遠い場所で流入したプラズマが観測地点まで（地球に近づく方向に）流れてきたとすればある程度は説明することが可能である。その際の流入メカニズムとしてはKelvin-Helmholtz（KH）渦によるプラズマ混合が候補として挙げられる。その理由は、地球からより遠い場所では渦が発達し、より効率的な流入が起こりうると思われるからである。また、渦の内部で磁気リコネクションが発生しうることが計算機実験から示されているが（e.g. Nakamura et al. 2006）、磁気リコネクションによってプロトンの沿磁力線ビームが作られ、それが温度非等方性となって現れている可能性もある。
次に、昼間側について考察する。IMFが北向きの際の昼間側での流入プロセスとしては、高緯度での磁気リコネクションによるものと波動粒子相互作用によるものが提案されている。高緯度での磁気リコネクションは近年の観測によってその発生は間違いないものと考えられるが、今回の観測で見られた垂直方向の温度非等方性を説明することは難しいかもしれない。磁場垂直方向にイオンを加熱する波動として kinetic Alfven Wave（KAW）があるが（Johnson et al., 1997）、この波動はプロトンを磁場を横切る方向に輸送することも可能であり、冷たいプラズマシートが形成されていることとも整合的である。ただし、磁気圏に流入する以前からプロトンが垂直方向への温度非等方性を持っていた可能性もあり、そうだとすれば磁気リコネクションでも説明することができそうである。
今回の解析では太陽風から地球磁気圏へのプラズマ輸送過程を完全に解明するには至っていないが、今後も温度非等方性や分布関数を詳しく調べていくことで、輸送過程にさらに迫っていくことが可能になるものと考えている。
参考文献
○ Hasegawa et al., J. Geophys. Res., 108(A4), 1163, doi:10.1029/2002JA009667, 2003.
○ Johnson et al., Geophys. Res. Lett., 28, 227-230, 2001.
○ Nakamura et al., Geophys. Res. Lett., 33, L14106, doi:10.1029/2006GL026318, 2006.
○ Terasawa et al., Geophys. Res. Lett., 24, 935-938, 1997.
○ Traver et al., J. Geophys. Res., 96(A12), 21025-21035, 1991.
○ Ueno et al., J. Geophys. Res., 106(A11), 25,655-25,672, 2001.
○ Wing et al., J. Geophys. Res., 110, A08205, doi:10.1029/2005JA011086, 2005.
○ Yamamoto and Tamao, Planet. Space Sci., 26, 1185-1191, 1978.
成果公表
この成果をまとめた論文は、国際学術誌Annales Geophysicaeに受理され、出版された。
○ Nishino et al., Geotail observations of temperature anisotropy of the two-component protons in the dusk plasma sheet, Annales Geophysicae, 25, 769-777, 2007.