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


km

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)]
102
103
104
105
106
107
Number
108
109
cm3
1010
1011
1012
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:
am
 
2
Cd Aeff V
ρ: 局所的熱圏大気質量密度 Cd: 抵抗係数
m: CHAMP 衛星の質量
Aeff: 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
  400km    he
 h  : 軌道の高さにおける密度

h  400
H
H: MSIS90 モデルから計算されたスケールハイト
14
3
1

10
kgm
 得られた密度は
以上の精度を与える
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.
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!!
Mass Density from CHAMP (kp=3..4)
Geom. latitude

Geom. latitude
Mass Density from CHAMP (kp=0..2)
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)]
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.
Geom. latitude
ElectronDensity from CHAMP (kp=0..2)
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
ElectronDensity from CHAMP (kp=0..2)
Log Electron density

Mass Density
Mass Density 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.
( 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!!
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)]
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.
O   N 2  N  NO   1.12eV

O   O2  O  O2  1.54eV
 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.
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
j  E   || E||   p ( E  E )
2
2
j: 電流密度  p : ペダーセン伝導度  || :平行伝導度
Average FAC

Air density
25 Sep. 2000
: 小さいスケールでの沿磁力線電流が作る電場
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)]
fine scale FAC
E|| : 磁力線に平行な電場 E : 磁力線に垂直な電場
UT
MLAT
MLT
06:22 06:24 06:26 06:28 06:30 06:32 06:34 06:36
58.82 66.56 73.68 79.15 79.83 74.93 67.85 60.16
08:55 09:22 10:12 12:00 15:07 17:16 18:15 18:45
06:38
52.37
19:03
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
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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
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熱圏大気密度の全球分布