NITRO for M4: IRF (Kiruna, Sweden), IRAP (Toulouse, France), UCL/MSSL (London, UK), LPP (Paris, France), U. Bern (Switzerland), Aalto U. (Helsinki, Finland),

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NITRO for M4: IRF (Kiruna, Sweden), IRAP (Toulouse, France), UCL/MSSL (London, UK), LPP (Paris, France), U. Bern (Switzerland), Aalto U. (Helsinki, Finland), Inst Space Sci. (Bucharest, Romania), IWF (Graz, Austria), IAP/ASCR (Prague, Czech), IASB-BIRA (Brussels, Belgium), LATMOS/IPSL (Guyancourt, France), NASA/GSFC (USA), UNH (Durham, USA), SwRI (San Antonio, USA), UCB/SSL (Berkeley, USA), UCLA (Los Angeles, USA), U. Alberta (Edmonton, Canada), U. Iowa (Iowa City, USA), Tohoku U. (Sendai, Japan), IAXA/ISAS (Sagamihara, Japan), UNIS (Longyearbyen, Norway), FMI (Helsinki, Finland), etc. Nitrogen Ion TRacing Observatory (NITRO): for next ESA's M-class call M. Yamauchi, I. Dandouras, and NITRO proposal team 1

NITRO for M4: Nitrogen (N/O ratio) Mystery Mars VenusEarth rich in N N < 0.01% of Earth/Venus N/O ratio at Mars << at the Earth, Venus, Titan 2

NITRO for M4: Multi-disciplinary aspects of N + and N 2 + Origin of Life (ancient atmospheric composition) Amino acid formation depends on oxidation state of N (NH 3 or N 2 or NO x ) = relative abundance of N, O, & H near surface Planetary atmosphere (origin and evolution) N is missing on Mars (0.01% of Earth ~ Venus ~ Titan) Magnetosphere (ion dynamics and circulation) N + /O + changes with F10.7 & Kp (Akebono cold ion obs.) Ionosphere (heating and ionization) N + /N 2 + /O + topside ionosphere depends on solar activity Plasma Physics (acceleration) Different V 0 between M/q=14 and M/q=16 gives extra information But, no observation of N + /O + ratio at keV range in the magnetosphere (except Kaguya) 3

NITRO for M4: (1)In-situ method Ion Mass Spectrometer: high M/∆M but low g-factor or very heavy Ion Mass Analyser: high g-factor but marginal M/∆M Photoelectron: exact M but requires very high E/∆E Wave (Ω O+ ≠Ω N+ ): M/∆M  f/∆f (better than 7%, a challenge) (2) Remote sensing of emission (line-of-sight integration) must fight against contamination from ionosphere ⇒ SC should fly above the topside ionosphere & outside the radiation belt N + (91nm, 108nm), NO + ( nm=weak), O + (83nm), N 2 + (391nm, 428nm), NO + (4.3 µm), O + (732/733 nm) (+) Monitoring of source (topside ionospheric) conditions Possible methods separating N + ⇔ O + and N 2 + ⇔ NO + ⇔ O 2 + 4

NITRO for M4: In-situ spacecraft start with 6-7 Re apogee outside the radiation belts during the first 2 years, and then gradually decrease the apogee altitude to explorer the “dangerous” region. Monitoring satellite flies just above the polar ionosphere at altitude ~2000 km. 3-spacecraft mission (high inclination) North In-situ (spinning) Cold ion mass spectrometer Hot ion (3~4 different types) Energetic ions Photoelectron Magnetometer+Waves (Ω N ) Langmuir Probe (plus alpha) UV/visible (narrow FOV) IR (narrow FOV) Cold ion mass spectrometer Hot ion mass analyser Photolectron Magnetometer Langmuir Probe (plus alpha) South FOV Imaging (3-axis) & monitoring Daughter (gradient) 5

NITRO for M4: In-situ #1 mother (spinning) * Mass spectrometer (cold) (Bern) * Ion analyzers (0.03 – 30 keV): (1) Narrow mass range (Kiruna) (2) Wide mass range (Toulouse) (3) No mass (LPP) (4) low G-factor mass (Japan) * Ion mass analyzer (> 30 keV) (UNH) * Electron (photoelectron) (London) * Magnetometer (Graz) * Waves (Ω N ≠Ω O ) (Prague) * Langmuir Probe (Brussels) * ENA monitoring substorm (Berkeley) * (Potential Control=SC subsystem) Payloads Remote sensing & monitoring (3-axis) * Optical (emission) (LATMOS & Japan) (1) N + : 91 nm, 108 nm (2) N 2 + : 391 nm, 428 nm (3) NO + : nm, 4.3 µm (4) O + : 83 nm, 732/733 nm * Mass spectrometer (cold) (Goddard) * Ion analyzer (< 0.1 keV) (Kirina) * Electron (photoelectron) (London) * Langmuir Probe (Brussels) * Ionospheric sounder (Iowa) * Magnetometer (Graz/UCLA) * Waves (Ω N ≠Ω O ) (Prague) * Ionospheric optical emission (???) Optical imager needs a scanner keep in- situ spacecraft within FOV. 6 * underline: core, * colored: important, * black: optional Possible methods for ion analyzers: Magnet, Magnet-TOF, reflection-TOF, MCP-MCP TOF, shutter-TOF

NITRO for M4: Agenda * PI and CoI distribution (more tuning + new comers) * More ion mass instruments? * 2-spacecraft vs. 3-spacecraft strategy * Support letter from national funding agencies * Work load distribution (science, instrument, requirement) * NASA relation (how to apply for the third spacecraft) * Orbit strategy * How much EMC cleanness requirement do we ask? Sprinter meeting on NITRO (ESA-M4) proposal 7 Saturday 11:30-16:00 (after coffee break)

NITRO for M4: Present knowledge on N + /O + ratio in space (a) Dependence on geomagnetic activities is larger for N + than O + for both 30 keV (Hamilton et al., 1988). (b) N + /O + ratio varies from <0.1 (quiet time) to ≈ 1 (large storm). What we call O + is eventually a mixture of N + than O +. (c) [CNO group] + at <10 keV range is abundant in the magnetosphere. (d) N/O ratio at Mars and C/O ratio at Moon are extremely low compared to the other planets. (e) Ionization altitude of N is higher than for O in the ionosphere (when O + is starting to be heated, majority of N is still neutral). (f) Isotope ratio (e.g., 15 N/ 14 N) is different between different planets/comets. But this requires M/∆M > 1000 spectroscopy, and is outside the scope of present study. 8

NITRO for M4: Science QuestionWhat &where to measure?requirement N + escape history vs. O + or H + N +, O + and H + escape route and different solar & magnetospheric conditions. #1, ∆t~1min gradient + imaging Ion filling route to the destination same as above. Ionospheric energy re- distribution to N & O N +, O +, H +, J //, and e - at different solar conditions. #1, keV e -, J //, eV ions Ion energization mechanisms energy difference among N +, O + and H + at different altitude, wave and field #1, ∆t<1min gradient, cyclotron  i Relation to substorm injection correlation to ENA observation#1, ∆t~1min #1: N + -O + separation (narrow mass range) and H + -He + -O + separation (wide mass range) at  and // directions with ∆E/E ≤ 7% ((E O+ -E N+ )/E N+ =15%) but E-stepping an be wider Science 9

NITRO for M4: In-situ satellites (to be modified) Magnetic high-cleanness is required only for Mother A/C 10

NITRO for M4: Action Items on payload (as of August 2014) How can we include ionospheric monitoring such as Sounder (by U. Iowa) and Optical instrument (N 2 + /N 2 ratio of airglow tells energization of topside ionosphere). The ion escape should directly be related to upper ionospheric condition. The concern is the weight (16 kg for Sounder) and we could not yet found European PIs that can make this instruments. Do we need E-field measurement for accurate measurement of particles (but aren't LP and APC enough?). Need to involve ground support team outside Europe. Comparing with soil N 2 -N 2 O-NO-NO 2 ratio (by existing remote sensing satellite) to correlate the change of oxidation state of N (= escape of N + or N 2 + ) is one possible additional issue (Question is how to compare?). We have to define "purely supporting" instruments that should be paid as a part of spacecraft (not as SI), such as the Active Potential Control. How about Langmuir Probe? 11

NITRO for M4: * Clarify the need of instrument for science (going) * Define spec (observation limit, resolution, integration time) * Radiation dose for each SI * How much EMC cleanness requirement do we ask? * We need astrobiology team (who will contact?) * Ground support requirement (e.g., optics) * Should we call “remote sensing” or “monitoring” Other Action Items 12

NITRO for M4: (1)We try first M-class (AO: 2014), and then S-class (2015/2016) or any NASA’s call if we fail M-class. The M-class is "comprehensive understanding of distribution using in-situ + imaging" with 2-spacecraft (and additional in-situ daughter satellite by NASA or ISAS for gradient measurement) while S-class is "first core-spacecraft is used as pioneer of N+ search" with "core- spacecraft" only if M-class failed. (2) We seek NASA as possible partner or its own mission, but M-4 proposal is made as ESA-led mission. (3) Launch is targeted for next solar maximum’s declining phase (2025). This gives extra opportunity that makes ongoing Van-Allen Probes and ERG to be extended for stereo observations. (4) If NASA agrees one spacecraft, we should shuffle the accommodation (which PI should go to which spacecraft). The easiest then is ESA makes Mother- daughter and NASA makes remote sensing (monitoring) Strategy 13

NITRO for M4: Multiple Ion Mass Analyzer Mass resolution: M O /(M O -M N ) = 8 and M NO /(M NO -M N2 ) ≈ M O2 /(M O2 -M NO ) = 16. Energy resolution: (E O+ -E N+ )/E N+ =15%, but stepping can be wider. G-factor: G-factor N + should be the same as for O +, i.e., G>10 -4 cm 2 str keV/keV without efficiency. Time resolution: ∆t = few min is sufficient after integrating over several spins (and slow spin is ideal) (1) Ion Mass spectrometer (fine N/O ratio): If N + /O + = 1/100 is to be detected for Gaussian spread, we need M/∆M ≥ 200. Low temporal resolution (5 min) is OK. (2) Hot Ion analyser 1 (changes of N/O ratio): If the data is calibrated, M/∆M ≥ 8 with ∆E/E ≤ 7% (ideally 4%) can do the job. Wide FOV (separate  and // directions) and without H + is OK. (3) Hot Ion analyser 2: Narrow FOV with 2π (tophat) angular coverage and ∆E/E ≤ 15%. M/∆M ≥ 4 (H +, He ++, He +, CNO +, molecule + ) is OK (4) Hot Ion analyser 3: For high temporal/spatial resolution, it is nice to have simple ion energy spectrometer for ∆E/E< 4% and high- & temporal resolution (5) Hot Ion analyser 4: Just detecting N + and N 2 + is useful (like Kaguya and Suisei). Non-uniform low g-factor is ok. 14

NITRO for M4: END 15

NITRO for M4: We start with 6-7 Re x 2000 km orbit to avoid radiation belt first 1-2 year, and gradually decrease apogee to explorer “dangerous” region 3-spacecraft mission (high inclination) M-class: 3 medium-sized s/cS-class: 1 small in-situ s/c Skip 16

NITRO for M4: 日本への期待 「ひさき」型の光学望遠鏡で磁気圏の N+, N 2 +, O+ 等の視線積分を計る 高度 2000km の極域( radiation belt の外)から赤道面に向ける AA: スキャナーは必要か? AA: どのような軌道が良いか? 2. 「かぐら」「すいせい」に載せたような、 1 keV 前後で N+ と O+ を分離できる質量分析器 分離が優先(正確な g-factor が出せればもっと良い) 他の国は尽く失敗している 3. イプシロンを使った同期衛星( daughter satellite か新しい光学衛星) 打ち上げは2025年なので時間がある ESA は support letter を core instrument に要求しているが、日本の事情も理解しているので、 (大学レベルで)出せれば出すという程度。 注:磁気圏関係は NITRO 以外に Alfven (オーロラ)と Tor (磁気乱流)が予定されている