The cold plasma sheet formation under northward interplanetary magnetic field (IMF) has been an important issue of the magnetospheric physics. In order to obtain clues to understanding the cold plasma sheet formation under northward IMF, we perform following studies basing upon spacecraft observations.

In Chapter 2 and 3, we study the temperature anisotropies of electrons and two-component protons observed by the Geotail spacecraft. The two-component protons result from mixing of the cold component from the solar wind and the hot component of the magnetospheric origin, and may be the most eloquent evidence for the transport process across the magnetopause. The cold component occasionally has a strong anisotropy in the dusk flank, and the sense of the anisotropy depends on the observed locations: the parallel temperature is enhanced in the tail flank while the perpendicular temperature is enhanced on the dayside. The hot component is nearly isotropic in the tail while the perpendicular temperature is enhanced on the dayside. The parallel anisotropy of electrons is stronger than that of the cold proton component, which is attributed to selective heating of electrons. We further find that strengths of the parallel anisotropies in the tail flank depend on the latitudinal angle of the IMF; strong parallel anisotropies occur under strongly northward IMF. We discuss that the Kelvin-Helmholtz vortices developed under strongly northward IMF and resultant magnetic reconnection therein may lead to the strong parallel anisotropies observed in the tail flank.

In Chapter 4, we perform a case study of a duskside Kelvin-Helmholtz (KH) vortices event on 24 March 1995. We have found that the parallel anisotropy of electrons starts to be enhanced on the magnetosheath side of a current layer in the KH vortical structure, and low-energy bidirectional electron beams or flat-topped shape of the electron distribution functions in the direction along the local magnetic field are apparent on the magnetosphere side of the current layer. The protons consisted of two separate (cold and hot) components in the magnetosphere-like region inside the KH vortical structure, where the cold proton component have a strong parallel anisotropy and it consisted of bidirectional beams in the region near the boundary. We discuss that the bidirectionality of electrons and the cold proton component implies magnetic reconnection inside the KH vortical structure. In addition, we suggest selective heating of electrons inside the vortical structure. Comparing temperatures in the magnetosphere-like region inside the vortical structure with those in the cold plasma sheet, we show that further heating is taking place in the cold plasma sheet or on the way from the vortices to the cold plasma sheet.

In Chapter 5, we deal with the cold plasma sheet found in the midnight region. Through the effort to obtain clues toward understanding of transport of cold plasma in the near-Earth magnetotail under northward IMF, we find that two-component protons are observed in the midnight plasma sheet under northward IMF. Since the two-component protons are frequently observed on the duskside during northward IMF intervals but hardly on the dawnside, those found in the midnight plasma sheet are thought to come from the dusk flank. The cold proton component in the midnight region occasionally has parallel anisotropy, which resembles that in the tail flank on the duskside. The flows in the plasma sheet with two-component protons were quite stagnant or slightly going dawnward, which supports the idea that the observed two-component protons in the midnight region are of duskside origin. Because the two-component protons in the midnight plasma sheet emerge under strongly northward IMF with the latitudinal angle larger than 45 degrees, and because the lag from the strongly northward IMF to the emergence can be as short as a few h, we suggest that prompt plasma transport from duskside to midnight region occurs under strongly northward IMF. In addition, we also suggest that gradual cooling of hot protons under northward IMF is a global phenomenon in the near-Earth magnetotail.

本論文は7章からなる。第1章はイントロダクションである。近年の衛星観測から、惑星間空間磁場(IMF)が北向きの際に地球磁気圏近尾部に冷たい高密度プラズマの存在することが知られてきた。この冷たいプラズマは磁気圏境界面を横切って太陽風から磁気圏内部へ輸送されたものと考えられるがそれを担う物理過程には諸説あり、磁気圏物理学において解決すべき主要な課題となっている。本論文は人工衛星の観測データを用いて、冷たいプラズマの輸送および加熱過程の研究を速度分布関数の形状に着目して行ったものである。

第2章は、地球磁気圏の夕方側で観測される二成分プロトンの温度非等方性を取り扱っている。ケーススタディおよび統計解析によって、プロトン低エネルギー成分の温度非等方性は、昼間側で磁場垂直方向の温度が高く尾部側で磁場平行方向の温度が高くなっていることが初めて明らかにされた。これらの結果は昼側と夜側でプラズマの輸送メカニズムが異なっている事を示しており、本研究で初めて明らかにされた成果である。

第3章では、地球磁気圏の夕方側で観測される電子と二成分プロトンの温度非等方性が同時に調べられている。プロトンと電子の温度非等方性を比較した結果、尾部側プラズマシートにおいてプロトンの低エネルギー成分と電子の温度非等方性との間に高い相関のあることが発見された。また、両者には相関がありながらも常に電子の温度非等方性の方が強いことが示され、電子のみを選択的に磁場方向に加熱するプロセスが働いていることが示唆された。更に、IMFの北向きの度合いが強いほど温度非等方性が高い傾向があることが発見され、磁気圏境界層付近での発達が期待されるKH渦との関連のあることが初めて明らかとなった。

第4章には、プラズマシートの温度非等方性と境界層付近のKH渦との関係を詳しく調べた結果が述べられている。磁場平行方向の温度非等方性を生成する現場に迫るため、尾部側の磁気圏境界面付近の渦の観測データを解析した。プロトン速度分布関数の形状に着目した結果、渦内の電流層付近で磁場平行方向に互いに反平行なビーム成分の存在することが初めて見出された。この観測は、巻き上がった渦の内部で磁気リコネクションが起きた結果として温度非等方性が生成されていることを示唆している。また、渦内部では電子のみが加熱されており、それを担う物理過程としては波動による電子加熱が挙げられる。さらに、渦の内部から磁気圏側へ移るにつれてプロトン・電子の両者とも温度の上昇することが分かった。この事は断熱加熱の存在を示唆している。以上の観測結果から、渦で乱れた場が作られることで磁気リコネクションや波動が励起され、これらの複数のプロセスが互いに影響を与えながら境界層付近でプラズマを輸送・加熱しているという新しいモデルを提唱した。

第5章は、磁気圏の真夜中付近で観測される二成分プロトンを取り扱っている。夕方側境界面付近でのプラズマ流入・プラズマシート形成メカニズムの探猿に加えて、流入した冷たい高密度プラズマの輸送先の考察がなされている。真夜中付近でも夕方側付近と良く似た速度分布関数を持つプラズマが頻度は低いながらも存在するということが発見された。本現象の出現条件が明らかにされ、IMF北向きの度合いが強い時1と真夜中側への輸送が起きていることが突き止められた。過去の研究では、真夜中付近に存在する冷たいプラズマは主として朝側の境界面から流入したことが想定されており、これとは全く逆向きのプラズマ輸送が働いていることが新たに判明した。

第6章には論文全体の考察、第7章には結論が述べられている。本研究によって、磁気圏物理学の重要な課題であるIMF北向き時の磁気圏境界面を横切るプラズマ輸送および冷たい高密度プラズマシートの形成に関して、単一のプロセスのみが作用するのではなく複数のメカニズムが関与しているという事実が初めて明らかとされた。

以上を総合して、審査員全員一致で本論文が博士論文として十分なレベルに達していると結論した。

なお本論文第2章と第3章は藤本正樹・上野玄太・寺沢敏夫・前澤洌・向井利典・齋藤義文との共同研究、第4章は藤本正樹・上野玄太・向井利典・齋藤義文、第5章は藤本正樹・上野玄太・前澤洌・向井利典・齋藤義文との共同研究であるが、論文提出者が主体となって解析を行ったもので、論文提出者の寄与が十分であると判断する。

したがって、博士(理学)の学位を授与できると認める。