熱圏大気密度の全球分布 ~CHAMP 衛星 　　　 による推測 ~

北海道大学 理学部 地球科学科惑星物理学研究室 B4近藤 奨

はじめに

中性大気とプラズマは互いに影響を与えあっている . これは熱圏 - 電離圏結合とよばれている . 電子密度の分布はよく知られているが , その影響を

受けているであろう中性大気の密度分布は , 詳しい観測はされてないため , よくわかっていない .

CHAMP 衛星に搭載された加速度計によって中性大気の密度を推定できるようになった .

中性大気の密度分布 , また , 電子密度分布との関係性を調べるために , H.Liu の論文 , Global distribution of the thermospheric total mass density derived from CHAMP を， レビューとして紹介する .

熱圏電離圏領域 高度約 80km から上部の領域を表す .

今回は高度 400km 付近について取り上げる . 中性大気とプラズマが両方存在している . 中性大気の密度とプラズマの密度を比べると圧倒的に

中性大気のほうが大きい .

図は中性大気と , イオン・電子の密度の鉛直密度構造である . [C.Y.Johnson (1969)]

810 910 1110 1210710 10106105104103102103cm

km

Number

CHAMP 衛星

2000 年 7 月 15 日に打ち上げられた，重力場の測定や大気研究を主な目的とした衛星 .

平均高度 400km で , ほぼ円形の極軌道を周回 . 加速度計 , 磁力計 , ラングミュアプローブ などの観測機器を搭載 .

加速度計のデータから，熱圏大気密度を推定する

http://op.gfz-potsdam.de/champ/main_CHAMP.html

質量密度の推定方法

密度を求める式 :　　

ρ: 局所的熱圏大気質量密度 : 抵抗係数 m: CHAMP 衛星の質量 : CHAMP 衛星の有効断面積 V : 衛星と大気の相対速度 a: 大気の抵抗による加速

度

拡散平衡状態を仮定した高度 400km での密度の式

: 軌道の高さにおける密度 H: MSIS90 モデルから計算されたスケールハイト

得られた密度は 以上の精度を与える

2VAC

am

effd

H

h

ehkm400

400

h

dCeffA

314101 kgm

中低緯度の熱圏大気密度分布 観測では 14MLT 付近で

極大をとり , 04MLT 付近で極小になる．

10 ～ 20MLT 間で磁気緯度 25N と 20S 付近で密度が極大になり，磁気赤道付近で極小となる .

Geo

m. l

atit

ud

eG

eom

. lat

itu

de

Mass Density from CHAMP (kp=0..2)

Mass Density from CHAMP (kp=3..4)

図は , CHAMP 衛星の 異なる磁気活動度（ kp=0..2 , kp=3..4 ）における熱圏大気密度分布である． [Liu et al (2005)]

磁場の分布とは無関係な大気が , 磁場の影響を受けたかのような密度分布をしている !!

中低緯度の電子密度分布

磁気緯度 15N と 15S 周辺で極大となり，赤道付近で極小となる .

赤道では， 04MLT と20ML T において極小となる .

分布の異常は ,10MLT から01MLT まで広がっている .

ElectronDensity from CHAMP (kp=0..2)

Ge

om

. la

titu

de

図は , kp=0..2 での CHAMP 衛星より得られた電子密度分布である . [Liu et al (2005)]

中低緯度の熱圏大気密度，電子密度の緯度分布

熱圏大気密度と電子密度は似た構造をしている .

電子密度の 2 つの極大は，熱圏大気密度の 2 つの極大よりも，低緯度側にある .

熱圏大気密度は電子密度と同じく磁気赤道付近で極小を取る

Mas

s D

ensi

ty

Lo

g E

lect

ron

den

sity

Mass Density from CHAMP (kp=0..2) ElectronDensity from CHAMP (kp=0..2)

図は ,14MLT, 15MLT における , kp=0..2 での熱圏大気密度（ CHAMP, MSIS モデル）と電子密度の緯度分布である . [Liu et al (2005)]

極域における熱圏大気密度分布

カスプ領域で特に密度が上昇している .

図は , CHAMP 衛星の , kp=0..2 における熱圏大気密度分布である . 左の図が北半球 , 右の図が南半球を表す . [Liu et al (2005)]

( カスプ領域：夜側の尾部に向かう開いた磁力線領域と昼間側に向かう閉じた磁力線の境界領域 )

磁場の分布と大気密度分布は関係ないはずだが , 関係あるかのような分布をしている !!

中低緯度の熱圏大気密度 分布異常のメカニズム

磁気赤道でプラズマが上昇した後 , 電子が磁力線に沿って移動し沈降する．磁気緯度 20N,20S 付近の下部熱圏で電荷交換により化学的加熱が発生し , 熱圏大気温度が上昇 , 熱圏大気密度が増加する．

このメカニズムでは , 電子密度分布が２つの極大を持つ 01MLT まで大気密度も似たような分布を持つことが期待される . しかし今回得られた大気密度分布ではそのような分布はしていない .

eVOOOO

eVNONNO

54.1

12.1

22

2

: 電流密度 : ペダーセン伝導度 　 : 平行伝導度

: 磁力線に平行な電場 : 磁力線に垂直な電場

: 小さいスケールでの沿磁力線電流が作る電場

極域の熱圏大気質量密度 分布異常のメカニズム

カスプ領域では沿磁力線電流により下部熱圏で大きなジュール加熱が発生する . 大気の加熱により上昇流が起こり , 熱圏大気密度が上昇する

22|||| )( EEE pEj

||

||Ep

E

j

Air

den

sity

Ave

rag

e F

AC

fin

e sc

ale

FA

C

UTMLATMLT

06:22 06:24 06:26 06:28 06:30 06:32 06:34 06:36 06:3858.82 66.56 73.68 79.15 79.83 74.93 67.85 60.16 52.3708:55 09:22 10:12 12:00 15:07 17:16 18:15 18:45 19:03

25 Sep. 2000

図は北極付近での大気密度と沿磁力線電流の緯度分布である． [Luhr et al (2004)]

まとめ CHAMP 衛星により , 熱圏大気密度は熱圏 - 電離圏領域

において , 電子密度と似たような，異常な分布をとることが発見された．

大気密度は全球において , 磁場の影響を受けたかのような分布をとる .

大気密度の分布異常のメカニズムは解明されてはいないが , 熱圏 - 電離圏結合が関わっている可能性がある .

参考文献 H.Liu et al, 2005, Global distribution of the thermospheric total mass density derived

from CHAMP, J. Geophys. Res.,110, A04301, doi:10.1029/2004JA010741. H.Luhr et al, 2004, Thermospheric up-welling in the cusp region:Evidence from

CHAMP observation, Geophys. Res. Lett., 31, L06805, doi:10.1029/2003GL019314 Neubett, T., and F. Christiansen, 2003, Small-scale, field-aligened currents at top-

side ionosphere, Geophys. Res. Lett., 30(19), 2010, doi:10.1029/2003GL017808. 　

Fuller-Rowell et al, 1997, Dynamics of the low-latitude thermosphere : Quiet and disturbed condition, J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 59, 1533-1540

丸山隆 , 2006, 電離圏プラズマ , プラズマ核融合学会誌 , Vol82.No11(2006).762-766 　

CHAMP HomePage http://op.gfz-potsdam.de/champ/main_CHAMP.html Asgeir Brekke, 1996, PHYSICS OF THE UPPER POLAR ATMOSPHERE , John

Wiley & Sons Inc 堀内剛二 , 1972, 超高層物理 , 共立出版