磁気圏における静電場観測は、磁気圏内のプラズマの対流、ULF波動とその伝搬方向、加速電場などを捉えるうえで不可欠な手段である。また１Hz前後の低周波電場変動は、粒子加速と関連して注目される電磁イオンサイクロトロン波の研究にとって不可欠である。

ジオスペース探査衛星「あらせ」では、Plasma Wave Experiment (PWE)によって、４本のワイヤアンテナWire Probe Antenna (WPT, 長さ15-m, Tip-to-Tip長 約32-ｍ) 間の電位差計測が、Electric Field Detector (EFD)による「ダブルプローブ法」を用いて、衛星スピン面内の直交２系統について行われている。過去の磁気圏探査衛星「あけぼの」では限られたタイミングでしかプローブ電位情報が得られなかったが、「あらせ」PWE/EFDでは、１スピン約8-secに対して約64点（８Hz, バーストデータでは128 Hz）で常時全プローブの電位データを個別に得ており、衛星と各プローブの電位挙動を知るうえで圧倒的に有利な点となっている。

プローブ電位の周辺プラズマ電位への追随性は、電場の観測精度と信頼性に直結する。ダブルプローブ法は、プローブ電位、すなわち「プローブ-衛星間の電位差」の計測を基礎とする。衛星それぞれの電位は、周辺電子（・イオン）の流入電流と光電子の放出電流のバランスで決まる「フローティング電位」を取るため、一般に周辺プラズマの電位からはずれる。プローブに衛星から供給するバイアス電流を加えることで、プローブ電位は周辺プラズマ電位により近づけるものの、周辺プラズマそのものの電位とはまだ若干異なる。この相違量はプローブの表面特性・形状に依存するため、極力これらを揃えたもうひとつのプローブとの電位差によってプラズマ中電場は導出される（この過程で、衛星電位の影響も消されることになっている）。従来の認識では、プローブのシースインピーダンス・シース電圧降下および仕事関数による影響は類似特性のプローブ対ならば相殺ないし少なくとも定数（オフセット）となるであろうとの期待の下、スピン衛星によって計測される自然電場由来のプローブ電位変動は衛星スピン周期の正弦波になるので、プローブ間電位差をスピン周期でサインフィットすれば、正弦波の自然電場とオフセット成分を分離できるはずと考えられてきた。もちろんアンテナ長がデバイ長より長く、衛星ポテンシャルそのものの影響がプローブに及ばないことがその前提である。

現実はより複雑である。「あらせ」PWE/EFDによる電場データ（＝プローブ間電位差）および各プローブ電位データにより、オフセット成分にもより複雑なスピン変調があり、プローブ間電位差は歪んだサイン波のような形状を示すとともに、その歪みにはプローブ毎の個性も存在する。このため、サインフィットだけでは信号（自然電場）を正しく分離できない場合がある。高密度域（特にプラズマ圏内）では、衛星電位・プローブ電位とも十分な周辺プラズマ電流に支配されて安定した値をとるため問題なく観測できるものの、プラズマ圏外の低密度域では、歪みが大きく直交2系統のワイヤアンテナ対で計測した電場の大きさ・方向が異なったり、磁場と直交しなかったりするように見えるケースが多発している。あらせ衛星はスピン軸を太陽指向とし、プローブに対する太陽光照射のスピン変動を抑制する設計をとったが、これにもかかわらず衛星形状が軸対称ではないためか衛星電位にもスピン変動も見られ、周辺プラズマ電位を乱している可能性が考えられる。これらのため、弱い電場（＜a few mV/m）においては定常的に磁気圏内で「Dusk-to-Dawn電場」が見られるといった問題を生んでいる。より大きな非定常の電場・波動については、チーム側の個別確認によるデータ品質保証を行いながらアウトプットにつなげている。

　本稿では、PWEチーム内のEFDデータ評価・較正・処理サブチーム会合、通称「電場・電位ブートキャンプ」で議論されてきたこれら諸問題の現況と、DC・低周波電場データの精度・信頼性に対する諸注意について紹介する。

Waveform data obtained by the Electric Field Detector (EFD) of the Plasma Wave Experiment (PWE) instrument onboard the Arase spacecraft are examined in detail to assess the quality of the DC to low-frequency electric field and the spacecraft potential. EFD records electric potentials of four metal probes installed at tips of two orthogonal pairs of the wire antennas extending from the satellite body and observes an electric field by measuring an electric potential difference between each pair of two probes. In principle, we expect that the instrument obtains sinusoidal waveforms of the potential difference with a period of the satellite’s spin, as the antennas rotate as well in a natural electric field perpendicular to the spin axis. Our detailed analysis, however, has revealed that sometimes the waveforms significantly deviate from a well-defined sinusoidal curve, and the two pairs of antenna yield somewhat inconsistent electric field vectors, particularly in a low plasma density environment such as outside the plasmasphere. We have analyzed and discussed possible causes of the unexpected characteristics of the waveforms in the regular, EFD sub-team meeting, which has been called as “the EFD bootcamp”. In this paper, we showcase and review the current issues of the electric field data provided by EFD including data processing pipelines. Detailed behavior of electric potentials of the four probes as well as the spacecraft potential dependent on the spin phase of the spacecraft is also discussed.

地球のような大規模な磁場や濃い大気を持たない月面は太陽風や地球磁気圏由来のプラズマにさらされている。月面に直接ぶつかったイオンや電子はほとんど吸収されるが、ごく一部のプロトンが直接散乱されたり、いったん中性粒子として月面から放出されたのちに電荷交換によって反射プロトンのようにふるまったりすることがわかっている。また、月表面の強い固有磁場に入射したイオンはローレンツ力を受けて反射する一方、強い固有磁場周辺で磁束の収束する領域に入射した電子はミラー反射を受ける。固有磁場に侵入する際のイオンと電子の侵入の深さの違いによって生じる電場はさらに電子を加速させる。

このように月面及びその固有磁場によって散乱・反射を受けたプラズマは、もともとの周辺プラズマに対しビームやリングビームのような役割を果たし、さまざまな波動を励起する。励起されるさまざまな波動と粒子との対応はHarada and Halekas（2016）に詳しくまとめられている。

低周波帯では、反射プロトンと太陽風中の磁気流体波のサイクロトロン共鳴によって起きる100秒周期のULF波、反射プロトンとホイスラ波のサイクロトロン共鳴によって起きる1Hz近辺のULF-ELF波、及び反射電子によって励起される0.1-10 HzのELF波、の３つが特に強い。この状況は、地球前面衝撃波による反射粒子と上流の波の関係と相似である。ジャイロ半径の小さい反射電子の立てる波は、観測衛星と月面の強い固有磁場が磁力線でつながっているときに限って観測される一方、反射プロトンによるULF波はプロトンのジャイロ半径の大きさや上流まで行って波を励起する性質を反映して、磁力線が月面に接触しているかどうかにかかわらず観測されている。

しかしこのいずれでもない1-16HzのELF波がかぐや衛星によって発見された。電子起源の波のように周波数帯が広く、プロトン起源の波のように磁力線の月面接触に無関係に観測されている。伝搬方向は磁力線にほぼ沿っており、偏波方向が右回りであることからホイスラ波と考えられる。背景磁場が太陽風の流れに垂直なときでも1-16Hzで検出され、パワーは上述の反射プロトン起源の１Hz波や電子起源の0.1-10HzのELF波と比べ１−２桁弱かった。この波が観測された時の太陽風はプラズマ密度が高く、したがってフラックスも高かった。波の観測された場所は主に極域で、固有磁場の弱い領域の上空であった。入射フラックスが高いことは、反射粒子あるいはスパッタリングなどで月面から放出される粒子が多いことが期待されるが、強い磁気異常による反射粒子の立てるULFとは性質が異なることから、異なるエネルギー源と別の発生機構を考える必要がある。この波と同時に現れる特徴的なプラズマ粒子は今のところまだ見つかっておらず、ピッチ角分布に特徴的な性質がないかさらに調査する必要がある。

The moon is exposed to the solar wind or magnetospheric plasmas due to the lack of global magnetic field or the dense atmosphere like those of the Earth. Most of the incident plasmas are absorbed by the lunar surface, but a small fraction of protons are scattered back into the solar wind in the form of ions, or neutral atoms to be re-ionized through charge exchange. The solar wind particles that came across intense local crustal magnetic field so called as the magnetic anomalies are more strongly reflected back due to the Lorentz force. Electrons that came into the region near intense magnetic anomalies are mirror reflected and/or accelerated by local electric field generated by difference of penetration depth of ions and electrons.

These plasmas have energy that can generate various wave activities (Harada and Halekas, 2016). Protons reflected by the magnetic anomalies are responsible for generation of monochromatic ULF waves or ELF waves through cyclotron resonance with MHD waves or whistler mode waves. Mirror-reflected electron beams along the magnetic field connected to the magnetic anomaly are thought to be the source of non-monochromatic whistler mode waves in the frequency range from 0.1 to 10 Hz. Detection of the non-monochromatic whistler waves depends on magnetic connection between the spacecraft and the magnetic anomalies.

Another type of ELF whistler waves were found by Kaguya. The frequency range was broad (1-16 Hz) like the non-monochromatic whistlers generated by field-aligned electrons, while their detection was less sensitive to the magnetic connection as well as the waves generated by reflected protons. They were preferentially observed above the polar region of the moon. The detection site was off the magnetic anomaly. They were found when the incident solar wind density was high.

The generation mechanism of such diffuse whistler mode waves is not yet understood. Dense solar wind flux incident to lunar surface unshielded by the crustal magnetic field is likely to cause scattering of solar wind protons in the form of ions or neutral atoms to be re-ionized. Scattered protons with less collimated velocities might account for the broad frequency range and the occurrence property less sensitive to the magnetic connection to the lunar surface.

References
Harada, Y., and J. S. Halekas, Chapter 18: Upstream waves and particles at the Moon, in "Low-Frequency Waves in Space Plasmas", 2016, pp. 307-322, American Geophysical Union, doi: 10.1002/9781119055006.

太陽風中の月の裏側は、太陽風粒子が入り込むことができないため通常は磁場変動が少なく静穏であるが、 稀に月の真裏の深ウェイクに周波数0.1-5Hz 程度のELF 波動が観測されることがある。 この波はタイプII エントリープロトン（月面でいったん反射したのちジャイロ運動でウェイクに侵入するプロトン） とともにみられ、さらに沿磁力線電子流も同時に観測されることがわかっている。 しかしこの波の励起機構はわかっていなかった。

これを考えるうえで、波のk ベクトルの向きが重要となるため、かぐや衛星搭載MAP/LMAP データに基づいて 周波数別のminimum variance analysis(MVA) を行いk ベクトルの方向を調べた。 その結果、k の方向は背景磁場に垂直に近くなる傾向がみられた。 一方、変化最大の方向は背景磁場に平行に近くなっており、 磁場を横切るプロトンが音波のような波を立てる描像と合っている。

候補となる変形2 流体不安定性(MTSI)、低域混成ドリフト不安定性の妥当性を考えるには、 k ベクトルの方向とイオン速度の方向、電流の方向との関係が重要である。 2008年9月24日10:10 の例では、磁場y 成分卓越時に、タイプII エントリーイオンと沿磁力線電子流に加え、 電子の速度にz 方向成分が観測され、またｚ成分のみにイオンと電子に速度差が見られた。 しかしながらk ベクトルの方向が周波数ごとにばらついており、未だ発生機構の決定には至っていない。

The solar wind particles that hit the moon are mostly absorbed by the lunar surface, leaving a plasma void region called the lunar wake downstream. Differently from the solar side of the moon where reflected solar wind particles give rise to various wave activities, the lunar wake is essentially quiet in magnetic fluctuations.

An exception is the ELF waves associated with the type-II entry ions, a kind of reflected ions that can access the central wake due to their large gyro radius. In order to study the generation mechanism of the waves, the directions of k vectors and the magnetic oscillation were examined using magnetic field and plasma observations by MAP/LMAG magnetometer onboard Kaguya. It is difficult to find the exact direction of k vector because the variation of the magnetic field is not always twodimensional but often one-dimensional. They were rather on the perpendicular side to the background magnetic field. The direction of the oscillation shows preference to be parallel to the background magnetic field.

The solar wind particles that hit the moon are mostly absorbed by the lunar surface, but a small fraction of them are scattered by the lunar surface or mirror reflected by the local crustal magnetic field, giving rise to various wave activities around the moon [1,2]. Most prominent are monochromatic ULF waves and whistler mode waves generated by reflected protons, and non-monochromatic whistler waves associated with reflected solar wind particles. They enhance on the dayside of the moon and above the terminator region.

Kaguya found another type of magnetic fluctuations at a 100 km altitude above the polar regions of the moon in the solar wind or in the magnetosheath. They were faint, non-monochromatic waves with no clear peak in the frequency range between 1 and 12 Hz, with diffuse appearance in the dynamic spectra. They were found in the 32s-Fourier transformed spectra of the 32Hz sampling magnetic field data obtained by MAP/LMAG onboard Kaguya. Eight events were found during the period from January 1, 2008 to March 31, 2009. Half of them showed gradual decrease of frequency within 10-20 minute period according as the spacecraft approached the North Pole. Direction of the k vectors was calculated from the minimum variance analysis for each Fourier component. They were approximately parallel to the background magnetic field. The sense of rotation was right-handed with only 1 exception. The solar wind density was high during the period of the observation of the waves.

Among them, an event showed a clear falling tone from 9 Hz to 1 Hz within 20 minutes of duration. It was a right-hand polarized wave propagating parallel to the background magnetic field in the z direction of the Selenocentric Solar Ecliptic coordinates. It was detected when the moon was in the Earth’s magnetosheath and the spacecraft was moving along a path from the evening side toward the north pole of the moon. No Doppler shift was expected since the propagating direction was perpendicular to the plasma bulk flow in the sheath. The falling tone cannot be explained by the frequency dependence of the wave velocity because the frequency variation was too slow, and the distance between the spacecraft and the lunar surface (the probable source of the wave) was too small. Kaguya detected no ions or electrons that were likely to generate waves. On the lunar surface, no intense crustal magnetic field was found at the foot of the magnetic field. It is expected that some sputtering process in a limited source generates plasma component in the close vicinity of the lunar surface, and give rise to the whistler mode wave at different frequency dependent on the distance from the source.

References
1. Nakagawa, T., Chapter 17: ULF/ELF waves in the near-Moon space, in "Low-Frequency Waves in Space Plasmas", pp. 293-306, American Geophysical Union, doi: 10.1002/9781119055006, 2016.
2. Harada, Y., and J. S. Halekas, Chapter 18: Upstream waves and particles at the Moon, in "Low-Frequency Waves in Space Plasmas", pp. 307-322, American Geophysical Union, doi: 10.1002/9781119055006, 2016.

太陽風にさらされた月面が太陽風粒子を吸収することにより、月の下流側には ウェイクと呼ばれる低密度領域ができる。 ウェイク境界では、太陽風磁場を横切る方向にはおよそ400kmの厚さの 密度勾配層ができ、距離40kmでプラズマ密度が約半分になることが かぐや衛星の観測によって示されている。 この境界層で電子の圧力もおよそ２桁落ちる。 この圧力勾配によってプロトンがウェイク中心に向かって加速される形となり、 渦度が生じる。この渦と回転方向の揃った0.01-0.3Hzの磁場変動も観測されている。 磁場が太陽風の流れに垂直な時（たとえば北向き磁場） 圧力勾配による速度成分（Vy)により、VxB電場が生じ、渦の動径方向に 粒子を加速・減速して渦の中心に電荷を生じるため、それを解消するような 沿磁力線電流が生じている。沿磁力線電流は電子によって担われており、 北向き磁場中では 朝側で磁力線に沿ってウェイク中心から離れる電流（北半球で北向き、南半球で南向き）、 夕方側ではウェイク中心に向かう電流（北半球で南向き、南半球で北向き）となっている。
この電流のエネルギー源は元々太陽風の運動エネルギーであるが、 太陽風を流体として考えた場合、流体がされる仕事は ウェイク境界の渦の動径方向の速度v_perpと渦の動径方向の電流Ｊによる力 JxBの内積（負）であり、これが電磁エネルギーに変換され、さらに 沿磁力線電流に変換されることになる。渦の動径方向の電流Ｊは、 ウェイク境界におけるイオンと電子の侵入の違いによって生じている。

At the lunar wake boundary, the solar wind ions are accelerated toward the center of the wake due to the pressure gradient, and produce vortex motion whose direction is consistent with the polarization of the magnetic fluctuations. The kinetic energy of the solar wind is converted into the electromagnetic energy and then field-aligned electric current.

Kelvin-Helmholtz vortex-like waves were found by MAP/LMAG onboard Kaguya in the lunar wake. They were preferentially found in the lunar wake boundary when the solar wind magnetic field was perpendicular to the bulk flow. The sense of rotation was consistent with the Kelvin-Helmholtz vortex. The thickness of the density gradient layer at the wake boundary was about 300-430 km, which was only several times of ion Larmor radius. The waveform was steepened at the wake boundary, and became sinusoidal in the central wake. No dawn-dusk asymmetry as observed at Mercury was found.

In association with vortex, field aligned electron flow was detected by Kaguya MAP-PACE instrument. The speed of the electron flow was 4000 km/s and the direction was consistent with the equivalent electric charge generated by the magnetic field convected by the vortex motion at the wake boundary.