Localized electron density enhancementsLocalized electron density enhancements in in the high-altitude polar ionospherethe high-altitude polar ionosphere and their and their relationships with SEDrelationships with SED//TOI eventsTOI events

*Yugo Kitanoya [Tokyo U.,D2]*Yugo Kitanoya [Tokyo U.,D2]

2010/06/16 STP seminar2010/06/16 STP seminar

Electron density by Electron density by AKEBONOAKEBONO 　　 [Kitamura et [Kitamura et

al.,2008] al.,2008]

Electron density in the polar cap by Electron density in the polar cap by S3-3S3-3 　　 [Kletzing et al.,1998] [Kletzing et al.,1998] In general, plasma density decrease In general, plasma density decrease

with altitude.with altitude.

In the high-altitude polar cap,In the high-altitude polar cap,plasma density is very low.plasma density is very low.

earth magnetosphereearth magnetosphere

0. plasma density profile in the polar cap0. plasma density profile in the polar cap

1-1. SED (Storm Enhanced Density)1-1. SED (Storm Enhanced Density)/ TOI (a polar Of Tongue Ionization)/ TOI (a polar Of Tongue Ionization)

SEDSED by GPS-TEC (Total Electron Count)by GPS-TEC (Total Electron Count)[Foster et al., 2004][Foster et al., 2004]

・・ SED: SED: プラズマ圏→カスプ領域へのプラズマプラズマ圏→カスプ領域へのプラズマ輸送輸送

・・ TOI: SEDTOI: SED が極冠域に侵入したものが極冠域に侵入したもの

磁気嵐時、磁気嵐時、1.1. 夕方側のリングカレント増夕方側のリングカレント増

加加↓↓

2.2. 電場発生＠夕方側電離圏電場発生＠夕方側電離圏↓↓

3.3. 西向き対流発生西向き対流発生↓↓

4.SED4.SED 発生発生

-60°-60°25°25°

60°60°

-130°-130°longitudelongitude

lati

tud

ela

titu

de

The ring-current density by kiku-6The ring-current density by kiku-6[Terada et al.,1998][Terada et al.,1998]

The feature of SED/TOI at F-regionThe feature of SED/TOI at F-regionCompared with surrounding,Compared with surrounding,

1. electron density 1. electron density ： ： high high （約（約 1010 倍）倍）2. electron temperature 2. electron temperature ： ： low low （数（数 100K100K ））

1-2. The feature of SED/TOI1-2. The feature of SED/TOI

Electron densityElectron density

Electron temperatureElectron temperature

SEDSED

SEDSED

In In SEDSED, electron temperature and density , electron temperature and density by Millstone Hill radar [Foster, 1993]by Millstone Hill radar [Foster, 1993]

1-3. In the magnetosphere, SED is observed1-3. In the magnetosphere, SED is observed

SED in SED in F-regionF-regionby ground-based radarby ground-based radar

SED in SED in the magnetospherethe magnetosphereby 1989-046 satelliteby 1989-046 satellite

[Su et al., 2001][Su et al., 2001]

SED/TOISED/TOI→→ 高高度までプラズマ密度が分布している。高高度までプラズマ密度が分布している。

Plasmasphere drainage plume Plasmasphere drainage plume by IMAGE [Foster et al., 2004]by IMAGE [Foster et al., 2004]

12h12h

18h18h

6h6h

drainage plumedrainage plume

0h0h

1-4. Outflow? of SED/TOI in the polar cap1-4. Outflow? of SED/TOI in the polar capSED/TOI in the polar cap → plasma source of the magnetosphere ??SED/TOI in the polar cap → plasma source of the magnetosphere ??

極冠域高高度での極冠域高高度での SED/TOI SED/TOI ： 観測な： 観測なしし

1. SED/TOI in the cusp region1. SED/TOI in the cusp region

Outflow : Cleft Ion Fountain (CIF)Outflow : Cleft Ion Fountain (CIF) SED/TOI → CIF increaseSED/TOI → CIF increase [W. Zeng and J. L. Horwitz, 2008][W. Zeng and J. L. Horwitz, 2008]

2. SED/TOI in the polar cap2. SED/TOI in the polar cap

Outflow : Polar windOutflow : Polar wind SED/TOI → Polar wind increaseSED/TOI → Polar wind increase [Schunk et al., 2005][Schunk et al., 2005]

3. SED/TOI in the night-side polar cap3. SED/TOI in the night-side polar cap

up-flow by precipitation particleup-flow by precipitation particle SED/TOI → up-flow increaseSED/TOI → up-flow increase [Zhi-Gang Y. et al., 2008][Zhi-Gang Y. et al., 2008]

※※ シミュレーションシミュレーション

※※ シミュレーションシミュレーション

※※ 観測観測Polar wind (ion drift veloPolar wind (ion drift velocity) in the polar capcity) in the polar cap[Abe et al.,1993a][Abe et al.,1993a]

Ion

Vel

oci

ty

Ion

Vel

oci

ty

[km

/s]

[km

/s]

Ele

ctro

n

Ele

ctro

n

Tem

per

atu

re [

K]

Tem

per

atu

re [

K]

Pro

be

Bia

s

Pro

be

Bia

s

[V]

[V]

Localized plasma density enhancements in Localized plasma density enhancements in the high-altitude polar cap by AKEBONOthe high-altitude polar cap by AKEBONO

（（ 1992/03/10 17:24-46UT1992/03/10 17:24-46UT ））

H+H+ POLAR WINDPOLAR WIND ：：小小

O+O+

2-1. localized plasma density enhancements 2-1. localized plasma density enhancements in the high-altitude polar capin the high-altitude polar cap

Plasma density increase at ALT5000kmPlasma density increase at ALT5000km・・ electron density = electron density = 約約 2000cm2000cm-3 -3 （（ normalnormal の約の約1010 倍）倍）・・ electron temperature = electron temperature = 約約4000K4000K （（ normal>8000Knormal>8000K ））・・ H+ ion velocity = low : H+ ion velocity = low : 約約 5km/s5km/s ほど遅いほど遅い

2-2. Summary of two localized plasma density increase2-2. Summary of two localized plasma density increase

SED/TOISED/TOI@ALT850km@ALT850km 1. High geomagnetic activity1. High geomagnetic activity 2. Electron density = high2. Electron density = high 3. Electron temperature = low3. Electron temperature = low 4. 4. 高高度（磁気圏）でも密度増高高度（磁気圏）でも密度増加加

Localized plasma density enhancement by AKEBONOLocalized plasma density enhancement by AKEBONO@ALT3000-6000km@ALT3000-6000km 1. High solar activity1. High solar activity 2. High geomagnetic activity2. High geomagnetic activity 3. Electron density = high3. Electron density = high 4. Electron temperature = low4. Electron temperature = low 5. 5. Ion drift velocity = lowIon drift velocity = low 6. 6. O+ ion O+ ion が支配的が支配的

If SED/TOI = If SED/TOI = 高高度の密度上昇高高度の密度上昇 ,,　イオン観測（　イオン観測（ AkebonoAkebono 衛星）衛星）　　　→　　　→ SED/TOISED/TOI の極冠域でのの極冠域での outflowoutflow としての振る舞いとしての振る舞いを確認を確認

SED/TOISED/TOI のルートを把握し、高高度でも密度上昇しているかのルートを把握し、高高度でも密度上昇しているか確認確認

SEDSED [1] [1] AkebonoAkebono 衛星衛星（（高高度での電子密度増加高高度での電子密度増加を確を確認）認）[2] [2] GPSGPS 衛星衛星 TECTEC 観測観測（（ SEDSED を確認）を確認）[3] [3] DMSPDMSP 衛星衛星（（低高度での対流と密度増加低高度での対流と密度増加を確を確認）認）[4] [4] SuperDARN radarsSuperDARN radars（（極域の対流極域の対流を確認）を確認）

2-3. Linkage between two localized plasma density increase2-3. Linkage between two localized plasma density increase

2-4. Result and Discussion2-4. Result and Discussion

Kp=4+, By=+, Bz=-Kp=4+, By=+, Bz=-

1. 1. SED, 14:00-15:50 UTSED, 14:00-15:50 UTby GPS_TECby GPS_TEC2. 2. ion density increase, 15:45-15:48 UTion density increase, 15:45-15:48 UTby DMSPby DMSP3. 3. electron density increase, 15:40-15:47 UTelectron density increase, 15:40-15:47 UTby AKEBONOby AKEBONO

15:30-16:00 UT, by SuperDARN 15:30-16:00 UT, by SuperDARN convection patternconvection pattern は大きな変化なし。は大きな変化なし。

CC

2-5. Result and Discussion2-5. Result and Discussion

　　 SEDSED があけぼの衛星が観測していがあけぼの衛星が観測している極冠域高高度の局所的プラズマ密る極冠域高高度の局所的プラズマ密度上昇を引き起こしている可能性が度上昇を引き起こしている可能性が高い。高い。

密度上昇（密度上昇（ SED/TOISED/TOI ）内のあけぼの）内のあけぼの衛星のイオン観測より、衛星のイオン観測より、

①① 極冠域において、極冠域において、 SED/TOISED/TOIは、は、 Polar WindPolar Wind を強める方向には働を強める方向には働いていない。いていない。

②②O+ ionO+ ion が支配的（←が支配的（← SEDSED が低・中が低・中の電離圏高度のプラズマで構成？）の電離圏高度のプラズマで構成？）

BB

電子密度・温度電子密度・温度 @TOI by AKEBONO@TOI by AKEBONO （高度約（高度約 3000-5000km3000-5000km ）、）、 DMSPDMSP （高度約（高度約850km850km ））　　　　　　　　　　　　　↓　　　　　　　　　　　　　↓TOITOI 内の電子密度・温度の高度方向のモデル内の電子密度・温度の高度方向のモデルを作成を作成TOITOI 内の内の H+,O+H+,O+ 密度・温度の高度方向のモデル密度・温度の高度方向のモデルを作成を作成　　　　　　　　　　　　　↓　　　　　　　　　　　　　↓TOITOI 内に内に「分極電場」「分極電場」、、「「 H+H+ の圧力勾配」の圧力勾配」、、「「 H+H+ とと O+O+ との衝突による力」との衝突による力」をを算出算出　　　　　　　　　　　　　↓　　　　　　　　　　　　　↓TOITOI 内における内における H+H+ にかかる力にかかる力について考察について考察

電場 ： 電場 ： E = -(1/enE = -(1/enee) p▽) p▽ ee

H+ionH+ion の運動方程式 ： の運動方程式 ： mmH+H+nnH+H+(dv(dvH+H+/dt) = -m/dt) = -mH+H+nnH+H+g + eng + enH+H+E – mE – mH+H+nnH+H+ννH+O+H+O+(v(vH+H+-v-vO+O+) - p▽) - p▽ H+H+

重力加速度：重力加速度： g = Gmg = GmEE/(r/(rEE+h)+h)22

衝突周波数：衝突周波数： ννH+O+ H+O+ = 1.23n= 1.23nO+O+/(T/(TO+O+))3/23/2

圧力 圧力 = k n T= k n T

3-1. Low H+ ion velocity in SED/TOI3-1. Low H+ ion velocity in SED/TOI

3-2. Electron density model in TOI3-2. Electron density model in TOI

・観測：・観測： AKEBONOAKEBONO 衛星衛星

1989-19921989-1992 年　年　 ILAT>75°MLT9-15hILAT>75°MLT9-15h でのデータ使用でのデータ使用

密度上昇内の観測値：密度上昇内の観測値：

ALT>3000km ALT>3000km 電子密度電子密度 >1000cm>1000cm-3-3 電子温度電子温度<7000K<7000K

・観測：・観測： DMSPDMSP 衛星衛星

20022002 年 年 SED/TOI 2SED/TOI 2 ケース（ケース（ 2/5 22h UT2/5 22h UT 、、 3/20 15h 3/20 15h UTUT ）のデータ使用）のデータ使用

0

1000

2000

3000

4000

5000

1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7

[cm電子密度 - 3]

[km

]高

度

通常のモデルTOI内のモデルTOI (AKEBONO)内の観測値TOI (DMSP)内の観測値

・通常のモデル ・通常のモデル by [Kletzing and Torbert,1994] by [Kletzing and Torbert,1994]

→→ 　　 n(z)=6×10n(z)=6×1044exp(-(z-318)/383) + 1.34×10exp(-(z-318)/383) + 1.34×1077zz-1.55-1.55

・密度上昇内のモデル ・密度上昇内のモデル by AKEBONO,DMSPby AKEBONO,DMSP

→→ 　 　 n(z)=n(z)=6×106×1055exp(-(z-318)/383) + 1.34×10exp(-(z-318)/383) + 1.34×1077zz-1.08-1.08

3-3. Electron temperature model in TOI3-3. Electron temperature model in TOI

・通常のモデル ・通常のモデル by AKEBONOby AKEBONO

→ → 高度高度 1500-3000km1500-3000km の観測を指数近似で表したの観測を指数近似で表した

電子温度電子温度 =2727.5×exp(0.0002685×=2727.5×exp(0.0002685× 高度高度 ))

・密度上昇内のモデル ・密度上昇内のモデル by AKEBONO,DMSPby AKEBONO,DMSP

→ → 4000K@4000K@ 高度高度 3000km 3000km になるように調整したになるように調整した

→ → 3500K@3500K@ 高度高度 850km 850km になるように調整したになるように調整した

電子温度電子温度 =2850.0×exp(0.0001400×=2850.0×exp(0.0001400× 高度高度 ))

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

[K]電子温度

[km

]高

度

観測値の平均値通常のモデルTOI (AKEBONO)内の観測値TOI (DMSP)内の観測値TOI内のモデル

3-4. Ion density and temperature model in TOI3-4. Ion density and temperature model in TOI

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

30 40 50 60

ALTIT

UDE[k

m]

H+ ion

O+ ion

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

30 40 50 60

H+ ionO+ ion

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

30 40 50 60

ION COMPOSITION[%]

ALTIT

UDE[k

m]

H+ ion

O+ ion

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

30 40 50 60

ION COMPOSITION[%]

H+ ion

O+ ion

Ion compositionIon composition

通常：観測（平通常：観測（平均）均）

TOITOI 内：観測（平内：観測（平均）均）

通常：モデ通常：モデルル

TOITOI 内：モデル内：モデル

・・ [H+[H+ イオンイオン ] + [He+] + [He+ イオンイオン ] + [O+] + [O+ イオンイオン ] = ] = 100%100%

・電子密度 ・電子密度 = = イオン密度イオン密度

※※ イオン温度 イオン温度 = 2000K= 2000K 　高度にかかわらず一定と　高度にかかわらず一定とした。した。

※※O+O+ 速度 速度 = 0km/s= 0km/s 　高度にかかわらず一定とした。　高度にかかわらず一定とした。

3-5. Result : H+ ion velocity model in TOI3-5. Result : H+ ion velocity model in TOI

H+ionH+ion の運動方程式 ： の運動方程式 ： dvdvH+H+/dt = /dt = -g-g + eE/m+ eE/mH+H+ – ν– νH+O+H+O+(v(vH+H+-v-vO+O+)) – ( p▽– ( p▽ H+H+)/m)/mH+H+nnH+H+

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

-50 0 50 100

[m/ s2]

ALTI

TUDE

[km

]

電場圧力勾配重力O+衝突

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

-50 0 50 100

[m/ s2]

電場圧力勾配重力O+衝突

通常：モデ通常：モデルル

TOITOI 内：モデル内：モデル

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

0 20 40 60 80 100

（TOI内/ 通常）*100[%]

ALT

ITUDE[k

m]

電場圧力勾配

※※TOITOI 内モデルでは、通常モデルに比べ、内モデルでは、通常モデルに比べ、

・・ O+O+ 衝突による減速（衝突による減速（ O+O+ の密度が増加したの密度が増加したため）ため）

・電場加速→約・電場加速→約 40%40% 減少減少 @2300km@2300km

・圧力勾配加速→約・圧力勾配加速→約 20%20% 減少減少 @2300km@2300km

ννH+O+ H+O+ = 1.23n= 1.23nO+O+/(T/(TO+O+))3/23/2

※※H+H+ の速度の速度 =0km/s@1500km=0km/s@1500km として、計算として、計算

TOITOI 内の内の H+H+ イオンの低速度（アウトフローにならない）イオンの低速度（アウトフローにならない）の原因については以下が考えられる。の原因については以下が考えられる。

1. O+ion1. O+ion 密度が増加したことによる密度が増加したことによる O+ionO+ion との衝突によとの衝突による減速る減速

（↑定性的）（↑定性的）

2. 2. 分極電場加速の減少（定量的に見積もれた）分極電場加速の減少（定量的に見積もれた）

3. 3. 圧力勾配加速の減少（定量的に見積もれた）圧力勾配加速の減少（定量的に見積もれた）

2000

3000

4000

5000

0 5 10 15 20H+ [km/ s]イオン速度

ALTIT

UD

E[k

m]

通常：観測（平均）通常：モデルTOI内：観測（平均）TOI (O+ )内：モデル との衝突は通常モデル使用

3-6. Result and Discussion3-6. Result and Discussion

※※ まだ衝突に関する項についてのモデルが未まだ衝突に関する項についてのモデルが未完成完成

4. Summary and Future work4. Summary and Future work

・あけぼの衛星の長期の観測により、ごく稀に（太陽活動が・あけぼの衛星の長期の観測により、ごく稀に（太陽活動が maxmax 付近に、約付近に、約 7%7% ）、）、極冠域の高高度において、比較的低温なプラズマで構成された局所的な密度増加が極冠域の高高度において、比較的低温なプラズマで構成された局所的な密度増加が観測。観測。

・あけぼの衛星、・あけぼの衛星、 DMSPDMSP 衛星、衛星、 GPSGPS 衛星、衛星、 SuperDARNSuperDARN の同時観測から、の同時観測から、極冠域極冠域の高高度の局所的な密度上昇は、の高高度の局所的な密度上昇は、 SED/TOISED/TOI により引き起こされている可能性が高により引き起こされている可能性が高い。い。

・・ SED/TOISED/TOI は、は、低・中緯度の比較的に低・中緯度の比較的に O+O+ が支配的な電離圏高度のプラズマで構成が支配的な電離圏高度のプラズマで構成されていると推測できる。されていると推測できる。

・極冠域に侵入した・極冠域に侵入した SED/TOISED/TOI は、は、 Polar WindPolar Wind （アウトフロー）を強化する方向に（アウトフロー）を強化する方向には働いていない。・・・は働いていない。・・・原因：圧力勾配、分極電場による加速が減少。増加した原因：圧力勾配、分極電場による加速が減少。増加した OO++ との衝突。との衝突。

・モデルの再検討（衝突項を完成させる。いろんなパターンを作成し、それぞれの特性・モデルの再検討（衝突項を完成させる。いろんなパターンを作成し、それぞれの特性を確認）を確認）

・・ SED/TOISED/TOI のカスプ・夜側でのアウトフローについて確認。のカスプ・夜側でのアウトフローについて確認。