カナダの宇宙空間監視

カナダ地球宇宙監視（CGSM）は、2005年に開始されたカナダの宇宙科学プログラムです。CGSMは主にカナダ宇宙庁の資金提供を受けており、イメージャー、子午線走査光度計、リオメーター、磁力計、デジタル電離層ゾンデ、高周波SuperDARNレーダーのネットワークで構成されています。CGSMの包括的な目的は、カナダの広範囲にわたるオーロラ帯および極帯における電離層の熱力学および電気力学の時空間的変化を概観的に観測することです。

太陽風と地球の磁場との相互作用は、多くの結果をもたらします。簡単に言うと、地球磁気圏の形成、磁気圏へのエネルギーと物質の供給、大規模な電流の発生、そしてそれと密接に関連するオーロラ現象の発生です。地球近傍宇宙の物理過程は、経済的な理由と、私たちの環境や宇宙について学ぶことができるという点で興味深いものです。これらの過程は、磁場に沿って地球の電離層とつながっており、そこでオーロラ、加熱、組成の変化、大規模なプラズマ運動を引き起こします。これらの電離層過程はすべて、それ自体が興味深いものです。さらに、電離層過程と地球近傍宇宙のさらに遠方で起こっている過程との対応関係についての理解が深まっています。このようにして、電離層過程の観測は、地球近傍宇宙のダイナミクスをリモートセンシングするために利用できます。

この相互作用は、磁気圏の広い領域が磁場に沿って電離層の比較的小さな領域にマッピングされ、磁気圏のダイナミクスが主に磁場ではなくプラズマによって制御される準オーロラ緯度、オーロラ緯度、極緯度で重要です。この組織は実際には地理緯度ではなく磁気緯度によって構成されています（磁気座標と地理座標の説明については、Baker and Wing、 ^{[ 1 ]}およびその参考文献を参照）。たとえば、オーロラは磁気緯度がおよそ60度から80度の間で最も頻繁に観測されます（Eather ^{[ 2 ]}を参照）。北半球では、カナダは磁気緯度で最大の陸地面積を有しています。このいわゆる「カナダの優位性」の結果として、カナダは何十年にもわたり地上からのオーロラおよび電離層研究の世界的なリーダーとなっています。

CGSMは、世界最高水準の電離層観測データを取得し、それを用いて電離層のダイナミクスを直接的に、そして間接的に磁気圏のダイナミクスを研究することを目的とした国家プログラムとして構想されました。このプログラムは、5つの主要な科学テーマに体現された指導原則に基づいて開発されました。要約すると、これらの科学テーマは、磁気リコネクションと対流サイクル、磁気圏の不安定性、オーロラの形成、そして磁気圏プラズマの加速、輸送、および消失に関連しています。

CGSMの科学目標は、観測要件を規定しています。簡単に言うと、このプログラムは、カナダの広範囲にわたる電離層における粒子降下（オーロラ）、電流、およびプラズマ対流を特定することを目的としています。これには、地上磁力計、電離層ゾンデ、高周波レーダー、全天イメージャー、子午線走査光度計、およびリオメーターからなる観測ネットワークが必要です。さらに、これらのネットワークは、極域からオーロラ帯を経て準オーロラ帯の緯度まで、重複する視野範囲を持つ必要があります。観測は、十分な時間分解能と空間分解能、そして十分な品質（品質を決定する要素は、対象となる機器によって異なります）を備え、観測から新たな科学的知見を導き出せるものでなければなりません。

CGSMの計画策定のため、2002年6月にエドモントンで関係者が会合を開いた。野心的な計画が決定され、様々な種類の多数の新しい観測機器を、困難な遠隔地に配備する必要が生じた。これらの機器は長期間自律的に動作し、故障が少ないことが求められた。CGSMが宇宙科学の目標に加え、重要な宇宙天気観測プログラムへと発展するためには、データの大部分をリアルタイムで取得する必要があった。新しい観測機器は、既存および新規の観測地点で調達、装備、設置する必要があった。これを実現するため、チームはTelesat CanadaのHSi高速衛星インターネットシステムを、情報技術インフラ（基本的にはUPS、 GPS 、接続されたハードディスクストレージなどの追加機能を備えた高度なローカルエリアネットワーク）と組み合わせて使用​​することに決定した。さらに、チームメンバーは新しい観測機器のための資金をカナダ・イノベーション財団に申請し、すべての面で成功を収めた。その結果得られた資金により、8 台の全天イメージャー、14 台のフラックスゲート磁力計、8 台の誘導コイル磁力計、および 2 台の追加のSuperDARNレーダー (新しい「PolarDARN」レーダー) の展開が可能になりました (展開は現在も進行中です)。2002 年に既に設置されていた設備 (カナダ宇宙庁のCANOPUS ^{[ 3 ]}プログラム、カナダ天然資源省のCANMOS磁力計アレイ、およびNSERC が支援する NORSTAR、SuperDARN、CADI プログラム) に加えて、最終的なアレイは間違いなく科学的要求を満たします。

CGSMは、カルガリー大学（光度計、リオメーター、ASI）、アルバータ大学（シミュレーション、データ管理、フラックスゲート磁力計）、サスカチュワン大学（SuperDARN HFレーダー、デジタル電離層ゾンデについてはウェスタンオンタリオ大学への下請け契約） 、カナダ天然資源省（宇宙天気運用）、カナダ国立研究評議会（太陽モニター）の各チームに契約を発行することで正式に開始されました。また、カルガリー大学は遠隔地の情報技術を管理するための新しいシステムを開発しました。2007年、カナダ宇宙庁（CSA）はCGSMの第2フェーズの提案を募集しました。2007年10月には20件以上の提案が提出され、2008年には継続的かつ強化されたCGSM活動のための契約が締結されました。

最近のカナダの主要な宇宙科学プロジェクトのレビューで、Liu ら^{[ 4 ]}は、CGSM がユニークな施設であると指摘しました。その理由の一つは、地上からリモートセンシングできる北半球のオーロラ領域の大部分がカナダ領土上にあるという上記の事実と、2004年から2010年の期間に実現されつつある、そして実現されるであろう新しい実験インフラへの多額の投資です。

CGSMは、数多くの衛星および国際的な地上観測プログラムを補完するものです。例えば、CGSMと衛星ミッションとの相乗効果は非常に重要です。衛星は、磁力計、電場検出器、プラズマ波検出器、粒子検出器を用いて、磁気圏および電離圏で作用するプラズマ過程を直接測定します。しかし、これらの過程は真にマルチスケールであり、重要なスケールサイズは数キロメートル以下から数万キロメートルに及びます。衛星観測は、対象となる過程を直接観測できる唯一の手段であるため、不可欠です。同時に、磁気圏システムのスケールサイズが非常に大きく、また、すべてのスケールが全体的なダイナミクスにおいて重要であるように見えるため、衛星は「干し草の山の中の針」のようなものです。

磁気圏のダイナミクスは磁力線に沿って電離層に投影され、例えばオーロラの変化や大規模な電離層プラズマの動きとして観測されます。このようにして、衛星観測を補完する重要な情報を提供する磁気圏ダイナミクスの2次元像が得られます。この相乗効果と科学の進歩におけるその価値は、近年ますます認識されるようになっています。欧州宇宙機関のクラスターミッションには、地上観測の協調効果を最大限に高めることを目的として設立された地上ワーキンググループが含まれていました（クラスター地上ワーキンググループの影響については、Amm et al., ^{[ 5 ]}を参照）。2006年2月17日に打ち上げられた5機の衛星からなるNASA THEMISミッションには、地上観測所20基（その一部はCGSM磁力計データを組み込んでいる）からなる地上コンポーネントが含まれており、地上観測の協調効果の重要性が認識されていることを示しています。