Substorm is a phenomenon in which a nightside aurora and the Earth's magnetosphere are intermittently disturbed in a large scale. The transition from the quiet state to the disturbed sate is the substorm expansion phase onset and is characterized by the sudden initiation. The substorm expansion develops within a few min, while an overall evolution time scale of substorm is a few hours. The goal of this study is to understand a mechanism of substorm. At the present knowledge, even how the substorm evolves into the disturbed state, called expansion phase, is not well understood. The aim of this dissertation is to unravel how a substorm expansion phase initiates in the magnetosphere by experimentally testing some of hypothesized processes inexplicitly taken into conventional substorm models. It will be described that the near-Earth tail (Xgsm~ -10 Re) region near the magnetic equator of the midnight sector is the ideal region for these experimental tests. In the near-Earth tail plasma sheet in the equatorial plane, the plasma processes possibly relevant to substorm expansion, namely plasma instabilities and the disturbances caused from the fast plasma flows, are expected to be detected. There have been many proposed substorm initiation models that assumes different processes in the near-Earth tail region in a different order. Detailed examinations and specifications of chains of processes are required. We searched out six dipolarization events that satisfy severe selection criteria in which the spacecraft was in the magnetic equatorial plane of the near-Earth tail plasma sheet for the period of the interest. Magnetic field and low-energy particle data from the Geotail satellite are analyzed. The concurrent global auroral images from the POLAR satellite are also used. This fortuitous data set enables us to further the understanding of the processes of the near-Earth tail. In this dissertation, three observational studies, which provide new critical insight into substorm initiation scenario, are presented: (1) two-stage aspect of substorm onset is established; (2) low-frequency magnetohydrodynamic waves are characterized with new methodology; (3) the presence of the ballooning instability prior to substorm onset is established. Each synopsis is:

(1)Detailed inspection of the aurora imager data in the course of this study have led us to recognize that, in five of them where large-scale auroral activities are obtained, activities develop in a two-staged manner. This two-stage aspect has been suggested by Lui [1991] and others, but not necessarily and widely accepted by the community. Approximately 4 min after the emergence of the first aurora, the second aurora appears. This time lag is consistent with the scenario that the near-Earth tail activation is responsible for the first aurora, the disturbance propagate in the acoustic speed to the mid-tail to produce the earthward fast flow that is then responsible for the second aurora. This time lag is calculated from the argument that the near-Earth tail disturbance is propagated with the acoustic wave to the mid-tail at Xgsm ~ -20 Re, then the fast flow propagated back to the near-Earth tail at the observed speed of 800 km/s. For three out of six dipolarizations, the auroral disturbances developed with the two-stage onset, having the time difference between the stages from 3 to 5 min. The association of the second aurora activation and the earthward fast flow is confirmed by the comparison with these timings. For two out of three two-stage onset events, earthward fast flow was observed in the near-Earth tail, having the consistent timing with the scenario that the fast flow caused the second stage of auroral activation onsets. The observations of the two-stage onsets were not achieved before this study, owing to the lack of the fortuitous data and the concrete prediction of the time difference of two auroras. The result emerges that there should be tailward propagating acoustic waves (fast mode waves) and that there should be plasma instabilities excited in the near-Earth tail without the disturbance from the mid-tail. These two processes are examined in the following observational studies.

(2)The previous spacecraft observations indicate that low-frequency (0.006-0.025 Hz) fluctuations of the magnetic field appear a few min prior to a substorm-associated dipolarization onsets. "Low-frequency fitting method" is developed to examine the low-frequency fluctuation detected in the near-Earth tail prior to the local onset of the substorm. For the low-frequency fluctuations, the magnetic field and the plasma velocity fluctuations are related via wavevector and the ambient field parameters.

Analyzing the combination of the magnetic field and the particle data enable us to estimate modes, wavevectors, and frequencies in the plasma rest frame.

The main finding from this method is the detection of the tailward fast mode wave at the substorm onset in the near-Earth plasma sheet for the first time.

(3)The ballooning instability has been proposed as a trigger of substorm onset. In order to detect the ballooning instability, we considered as follows. Since the ballooning instability deforms the magnetic field-line curvature at the magnetic equator, this effect can be observed as the magnetic field fluctuations in the spacecraft frame. For four out of six events, this magnetic fluctuation in Xgsm components was found from the wavelet transformation analysis, while the propagation direction of Ygsm components stayed small as expected from the ballooning instability.

From the analysis of these magnetic field fluctuations with the ion velocity, the wavelengths were estimated and were found to be in the order of the ion Larmor radius of ~3000 km. The ballooning mode waves appeared a few min prior to the substorm onset, when the plasma beta was high (20-70) in the near-Earth tail plasma sheet.

Finally, possible relevance to the substorm expansion phase onset is discussed. Since the low-frequency waves determined from this study may explain some of the auroral spatial features, we propose the substorm initiation scenario that includes the two-stage onset of substorm expansion, the low-frequency waves, and the possible corresponding auroral spatial features.

本論文は、八章からなる。

第一章は、本論文が主眼とする、サブストーム開始時の物理に関するこれまでの認識を紹介している。サブストームとは、ある規則性を持った大規模なオーロラ活動を指す。サブストームの開始は、磁気圏の夜側に端を発するが、その開始メカニズムは定説がない。これまでのオーロラ観測から、サブストームは、複数の物理モジュールの組み合わせの効果で説明される、と提唱されている。しかし、サブスト―ム開始時のオーロラに対応する磁気圏領域の近尾部(X~-10Re)での物理過程がわからないという問題がある。そこで、近尾部領域でサブストームを観測した人工衛星のデータを解析すれば、サブストーム開始を担っている物理過程が解明できるはずである。特に波を分析することで、磁気圏でおこるプラズマ過程を物理的に特定できるだろう、というのが本論文の独特の着眼点である。

第二章は、使用した観測データの説明である。これまで観測的な盲点であった、近尾部の磁気赤道面近くの領域で、Geotail衛星がサブストームを観測した6イベントを集めた。このときのオーロラは、Polar衛星による観測があり、オーロラ活動と近尾部を比べられる希少なデータセットといえる。

第三章は、新しい波の分析手法("low-frequency wave fitting method")を提案している。これは、磁気流体波の性質を定量的に求める手法であり、波の波長、モード、伝播方向、ドップラーシフトの補正、背景の非一様性などを定量的に推定できる。人工衛星の一点観測で導出できるところが、これまでにない特徴である。磁場だけでなく、プラズマと合わせて解析し、平衡状態からの摂動と仮定して扱うことで可能となった。これを実際、観測に適用することで、サブストーム開始直前から、開始時の波の性質を明らかにしている。特に、サブストーム開始前からSlowモードの磁気流体波が近尾部にあり、開始時にはFastモードの磁気流体波があることを示した初めての研究である。ここでは、磁気流体波を解析する手法とサブストーム開始前から開始時の波のモード、伝播方向、という新しい知見をもたらした。

第四章は、磁気圏尾部でFastモードの磁気流体波が観測されたことを強調している。Fastモードの磁気流体波は、その存在を示唆されていたが、直接的な観測はこれまでなかった。上で開発した"low-frequency wave fitting method"だけでなく、磁場とプラズマの圧力変化を見ることで、二重に確認を行っている。ここでは、Fastモードの波は、近尾部を含むより広範囲の磁気圏尾部でも観測される、という新しい知見をもたらした。

第五章は、サブストーム開始を誘導する主要な候補のひとつとして提案されてきたバルーニング不安定を調べている。サブストーム開始前から観測される、磁場変動がバルーニングモードの波の特徴と合うこと、その時、プラズマ観測と組み合わせて解析することで波長を導出できる、という新しい着眼点に基づく解析方法を示している。解析の結果、波長はイオンのラーモア半径程度であり理論予想に一致すること、プラズマベータが高いときだけに検出される、などの新しい知見をもたらしている。

第六章は、サブストーム時の近尾部観測とオーロラ観測の比較研究である。サブストーム開始の後、時間、空間的に不連続な2番目のオーロラ発光があることの重要性を指摘し、近尾部観測と比較を示している。ここでは、2段階オーロラという見方が多様な性質を見せるサブストームを分類する出発点となる、新しい知見をもたらした。

第七章は、観測事実を総合した議論である。本論文を代表するいくつかの観測的な発見は、Fastモードの波、バルーニングモードの波、2段階のオーロラ、である。これらは、既存のサブストーム開始モデルの具体的な構成要素を初めて観測的に示したものになっている。さらに、本論文で観測された波は、オーロラの空間構造などを説明できる可能性があり、オーロラ発展を含むサブストーム開始シナリオを提案している。

第八章は、結論である。本論文は、磁気圏の波の解析はサブストームの開始過程を個別の物理モジュールに分解して調べることができる、という新しい知見をもたらした。本論文の主要な成果は、そのための方法論とその応用を示し、その結果として、サブストームの開始は、複数のプラズマ過程の組み合わせで説明する必要があることを磁気圏観測から再確認し、具体的にいくつかのプラズマ過程の同定を示したことである。

なお、第3章・第5章は、藤本・齋藤・篠原(JAXA,ISASスタッフ)ら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い、その寄与は十分である。

したがって、博士(理学)の学位を授与できると認める。