[論文レビュー] The Capabilities of the EISCAT Svalbard Radar for Inter-hemispheric Coordinated Studies

T. Grydeland, A. Strømme+2 more|ArXiv.org|Apr 21, 2004

Ionosphere and magnetosphere dynamics参考文献 38被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、南極の中国・中山科 station と磁気的に共役する北極圏におけるEISCAT Svalbardレーダーの特異な能力を活用して、両極域における連携観測の可能性を示している。不干渉散乱レーダー測定と、アラルスカイカメラやリオメータなどの補完的観測機器を組み合わせることで、両極域の電離圏および磁気圏のダイナミクスを高分解能かつ連続的に観測可能となり、スバルストームやオーロラ活動中の非対称性に関する画期的な知見が得られた。

ABSTRACT

In this article we want to present the EISCAT Svalbard Radar (ESR) in some detail, as well as some of the instruments of interest for ionospheric and magnetospheric research that are located in the vicinity of it. We particularly describe how this instrument cluster, close to the geomagnetic conjugate point of the Chinese Antarctic Zhongshan station, can contribute to inter-hemispheric coordinated studies of the polar Ionosphere.

研究の動機と目的

• EISCAT Svalbardレーダー（ESR）を、極域電離圏の連携観測における重要な資産として確立すること。
• Svalbard周辺に存在する補完的地上観測機器の特徴を特定・記述し、マルチポイント・マルチインstrument観測を強化すること。
• 北半球と南半球の電離圏間の共役観測の科学的価値を明らかにし、特にスバルストームやオーロライベントにおける応用を示すこと。
• 中国の科学者との協力を促進するため、ESRが中山科 station と共同で行える研究の可能性を強調すること。
• ESRと共役観測機器を用いた、磁気圏・電離圏系のプラズマダイナミクスおよび非対称性を研究するための、専用の連携観測プログラムの推進を提言すること。

提案手法

• 不干渉散乱レーダー（ISR）技術を用い、バックストラック信号のスペクトルから電子密度、温度、イオン温度、プラズマの平均速度、イオン成分を測定する。
• 基本的なIS方程式（1）を適用し、速度分布関数と誘電率応答に基づいて、電子とイオンの寄与を分離してスペクトルをモデル化する。
• 誘電関数 ε(k,ω) と電気感受率 χα(k,ω)（式2–3）を用いて、集団的プラズマ挙動と散乱メカニズムを記述する。
• 電子散乱が主因であるにもかかわらず、イオンの動的支配が観測スペクトルに顕著に現れる理由をデイビー長さスケールで説明する。
• ESRのデータに加え、アラルスカイカメラ、リオメータ（画像化およびマルチビームシステムを含む）、地上磁気儀を統合することで、広域かつリアルタイムの共役観測を可能にする。
• リアルタイムの光学またはリオメータデータを基に、活発なイベント時に共役領域に向けてESRの指向を動的に制御し、標的的で高分解能な測定を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EISCAT Svalbardレーダーは、南半球の観測機器、特に中国・中山科 station とどのように連携して利用可能か？
• RQ2 ESRデータから得られる主要なプラズマパラメータ（密度、温度、速度）は何か？ そして、スバルストームやオーロラ活動中にどのように変化するか？
• RQ3 電離圏および磁気圏現象がどの程度非対称性を示しており、連携観測によってその差異をどのように定量できるか？
• RQ4 不干渉散乱レーダー、アラルスカイカメラ、リオメータの組み合わせは、単一機器による観測と比較して、共役観測の空間的・時間的分解能をどの程度向上させるか？
• RQ5 ESRと南極の地上観測機器を用いた、専用の連携観測キャンペーンを計画することの実用的・科学的利点は何か？

主な発見

• EISCAT Svalbardレーダー（ESR）は、電子密度、電子温度・イオン温度、およびプラズマの平均速度といった電離圏プラズマパラメータを、視線方向に高分解能かつ連続的に測定可能である。
• レーダーは昼間や曇天時でも運用可能であり、光学機器が夜間・晴天時限定であるのとは異なり、中断のない監視が可能である。
• 磁気的に共役するため、南極の中山科 station との共役観測が可能であり、通常はSvalbardの西、グリーンランド付近に共役点が位置する。
• ESRに加え、アラルスカイカメラと画像化リオメータを統合することで、共役オーロラ構造に向けて正確にレーダーを指向でき、粒子降着および吸収領域のダイナミクスの分解能が向上する。
• ESRから得られる膨大なデータと補完的観測機器の統合により、スバルストーム中の南北半球非対称性を研究するための今後の連携・マルチインstrumentキャンペーンの基盤が整っている。
• 本研究は、ESRがまだ共役点観測に参加したことがないが、その能力とSvalbardに既に整備された観測機器のクラスタが、中国南極基地と連携して行える研究の大きな潜在的機会を秘めていると結論づけた。