[論文レビュー] Highly relativistic electron flux enhancement during the weak geomagnetic storm of April-May 2017

Katsavrias, Christos, Sandberg, Ingmar+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2019

Ionosphere and magnetosphere dynamics被引用数 43

ひとこと要約

2017年4月から5月にかけての弱い磁気ストーム（Sym-Hmin ≈ -50 nT）が、地球静止軌道で検出されなかった10 MeVまでの相対論的・超相対論的電子の2桁増加を引き起こした。この増加は二段階の加速によって生じた。まず、チョラス波が初期電子を相対論的エネルギー（1–2 MeV）まで励起し、その後、Pc5 ULF波によって駆動される内向きの半径方向拡散が、さらに電子を超相対論的エネルギーまで加速した。

ABSTRACT

We report observations of energetic electron flux and Phase Space Density (PSD) to show that a relatively weak magnetic storm with $Sym-H_{min} \approx -50 $nT, resulted in a relativistic and ultra--relativistic electron enhancement of two orders of magnitude similar to the St. Patrick's event of 2015, an extreme storm with $Sym-H_{min} \approx -235 nT$. This enhancement appeared at energies up to $\approx 10$ MeV, lasted for at least 24 days and was not recorded in geosynchronous orbit where most space weather alert data are collected. By combined analysis of PSD radial profiles and Fokker--Planck simulation, we show that the enhancement of relativistic and ultra--relativistic electrons is caused by different mechanisms: first, chorus waves during the intense substorm injections of April 21--25 accelerate the seed electron population to relativistic energies and redistribute them while inward diffusion driven by Pc5 ULF waves further accelerates them to ultra--relativistic energies.

研究の動機と目的

• 弱い磁気ストーム（Sym-H低下が最小限）にもかかわらず長期間にわたって顕著な相対論的・超相対論的電子の増加が観測されたメカニズムを解明すること。
• 地球静止軌道の観測では電子フラックス増加が検出されなかったという限界を解消すること。
• 局所的加速と半径方向拡散が、観測された電子エネルギー増加に共同で寄与した程度を特定すること。
• 低磁気活動下でチョラス波およびPc5 ULF波が電子加速をどのように駆動したかを評価すること。
• 極端な電子増加が強力なDstまたはSym-H指数とは無関係に発生しうることを示し、従来のストーム分類の前提を疑問視すること。

提案手法

• ヴァン・アレン・プローブのMagEISおよびREPT機器による高分解能の位相空間密度（PSD）測定値を用い、TS05磁場モデルを用いた不変座標系解析を実施した。
• Pc5 ULF波のパワー（2–7 mHz）を特定するためにウェーブレット解析を適用し、半径方向拡散の駆動要因と相関をとった。
• Liら（2013）の手法を用いて、地上での電場および磁場データから低周波帯のチョラス波の振幅を推定した。
• DE_LL（Liuら、2016）およびDB_LL（Ozekeら、2014）を組み合わせたKpおよびµに依存する拡散係数モデルを用いて、L > 4の領域での過剰評価を回避する半径方向拡散シミュレーションを構築した。
• 境界条件をL* = 3.2および5.2に設定し、無限大の損失時間（τ = ∞）を仮定することで、プラズマプレインのヒス効果を除外した、半径方向拡散のみを考慮したフォッカー・プランク方程式を解いた。
• L* = 4.2–4.8の範囲で、観測されたRBSP測定値とシミュレートされたPSDを比較した。特に、プラズマプレインがL* ≈ 4の内側にあった4月19日から29日の期間に注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ弱い磁気ストーム（Sym-Hmin ≈ -50 nT）が、極めて強い聖パトリックの日ストーム（Sym-Hmin ≈ -235 nT）と同等の相対論的電子フラックス増加を引き起こしたのか？
• RQ2 従来のストームインデックスが最小限であるにもかかわらず、なぜ電子が超相対論的エネルギー（>3 MeV）まで加速されたのか？
• RQ3 スバルストームの注入時に、チョラス波が初期電子の局所的加速にどの程度寄与したのか？
• RQ4 Pc5 ULF波は、内向きの半径方向拡散を引き起こし、3 MeVを超える電子をさらに加速させたのか？
• RQ5 電子フラックス増加が非常に顕著で長期間にわたっていたにもかかわらず、なぜ地球静止軌道では検出されなかったのか？

主な発見

• 2017年4月から5月にかけて、Sym-Hmin ≈ -50 nTという弱い磁気ストームにもかかわらず、相対論的・超相対論的電子フラックス（最大10 MeV）が2桁増加し、少なくとも24日間持続した。
• 4月19日から26日にかけての激しいスバルストームの影響で、初期電子（数十から数百keV）が外層放射帯に注入されたことが、AL指数の最小値（≈ -1800 nT）から示された。
• 4月21日から25日にかけてのチョラス波活動が、局所的加速を引き起こし、PSDの半径方向プロファイルに特徴的な上昇ピークを生じさせた。これは、相対論的エネルギー（1–2 MeV）へのイン・サイト加速を確認するものである。
• Pc5 ULF波（2–3.5 mHz）によって駆動される内向きの半径方向拡散が、さらに電子を超相対論的エネルギーまで加速した。特にµ = 5100 MeV/Gの条件下で、L* = 4.2–4.8の領域でPSD比が最大（≈1）に達した。
• シミュレーション結果は、µ = 5100 MeV/Gの条件下でL* = 4.2–4.8の領域で観測と強く一致しており、超相対論的電子加速の主なメカニズムが半径方向拡散であることを確認した。
• 本研究は、超相対論的電子の増加が強力なDstまたはSym-Hインデックスとは無関係に発生しうることを示し、こうしたイベントは極端なストームに限定されないという従来の仮定を疑問視している。