交換型磁気リコネクションの磁場トポロジー

• Project/Area Number: 20K03894
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 14010:Fundamental plasma-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 渡辺 正和 九州大学, 理学研究院, 准教授 (70446607)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 蔡 東生 筑波大学, システム情報系, 准教授 (70202075) ; 田中 高史 九州大学, 国際宇宙惑星環境研究センター, 博士研究員 (70346766) ; 藤田 茂 統計数理研究所, モデリング研究系, 特任教授 (70500693)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: 磁場トポロジー / 磁気流体シミュレーション / 地球磁気圏 / 磁気リコネクション / 磁気流体

Outline of Research at the Start

磁力線のつなぎ換えを磁気リコネクションと呼ぶ。交換型リコネクションとは、磁力線が属するトポロジー（磁場位相）領域がリコネクション前後で入れ替わるものを言う。トポロジーを不変に保つ交換型リコネクションが存在し得るかどうか明らかにすることが本研究の目的である。現実的なセパラトリクス（トポロジー領域の境界面）形状を知るため、まず地球磁気圏を模擬する磁気流体コードを用いて定常解を作る。続いてセパラトリクスを追跡する新手法を導入してトポロジーを解析する。最後に現実的セパラトリクス形状のもとで磁力線の「運動」を初等関数で与える数学モデルを構築する。

Outline of Annual Research Achievements

最終年度は研究課題の本体部分「交換型磁気リコネクションの磁場トポロジー」を論文公表すべく、シミュレーションの一部をやり直してデータを補強しながら論文作成を進めた。しかし、年度末時点で出版にまで至っていない。一方で、口頭発表は昨年度までの知見に関連事項を加えて積極的に行った。また、本研究で方法論の中核を成す、等高面法（level-set method）による磁気面追跡のアルゴリズムに関しては、筑波大学の研究分担者からようやく論文が公表された。

研究期間全体を通じての成果は以下である。まだ論文にはなっていないが、「交換型磁気リコネクションの磁場トポロジー」に関して一応の結論を得た。地球磁気圏を模擬する磁気流体コードを用いて、惑星間空間磁場北向き時の交換サイクル（交換型リコネクションの組み合わせで起こる磁束循環）が出現する事象を再現した。得られた磁場データには南北各半球に1個ずつ、2個の零点が存在する。まず等高面法を用いて、2つの零点から広がる2次元セパラトリクス（零点での磁場勾配テンソルが定める固有空間のうち、固有値実部が同符号になる2つの固有ベクトルにより構成される空間の延長）を反対半球の零点まで追跡し、地球磁気圏の大域的磁場トポロジーを厳密に決定した。続いて、1つの零点近傍で、セパラトリクス上おける種々の物理量（沿磁力線電場、セパラトリクスを通過するプラズマ流等）を可視化した。零点近傍のセパラトリクスはセパレータ（反対半球の零点から広がるセパラトリクスとの交線）で2分割される。可視化した物理量から、分割された各セパラトリクス上で、異なる交換型リコネクションが起こっていることが分かった。各々の磁場トポロジーは、Priest & Titov (1996)が提唱したfan reconnectionの半分（セパレータにより分割されているため）と同相（homeomorphic）である。

Research Products

• [Journal Article] Identifying and visualizing terrestrial magnetospheric topology using Geodesic Level Set method (2024)
  • Author(s): Xiong, P., Fujita, S., Watanabe, M., Tanaka, T., & Cai, D.
  • Journal Title: Computer Graphics Forum Volume: 43 Issue: 1
  • DOI: 10.1111/cgf.14994
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Radial transport of Io plasma from the inner magnetosphere to the tail (2023)
  • Author(s): Tanaka, T., Ebihara, Y., Watanabe, M., Fujita, S., & Kataoka, R.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 128 Issue: 5
  • DOI: 10.1029/2022ja030891
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Interpretation of the theta aurora based on the null-separator structure (2022)
  • Author(s): Tanaka, T., Ebihara, Y., Watanabe, M., Fujita, S., Nishitani, N., & Kataoka, R.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 127 Issue: 8
  • DOI: 10.1029/2022ja030332
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Unified theory of the arc auroras: Formation mechanism of the arc auroras conforming general principles of convection and FAC generation (2022)
  • Author(s): Tanaka, T., Watanabe, M., Ebihara, Y., Fujita, S., Nishitani, N., & Kataoka, R.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 127 Issue: 9
  • DOI: 10.1029/2022ja030403
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Two current systems in the preliminary phase of sudden commencements in the magnetosphere (2022)
  • Author(s): Fujita, S., & Tanaka, T.
  • Journal Title: Earth, Planets and Space Volume: 74 Issue: 1
  • DOI: 10.1186/s40623-022-01624-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Global simulation of the Jovian magnetosphere: Transitional structure from the Io plasma disk to the plasma sheet (2021)
  • Author(s): Tanaka, T., Ebihara, Y., Watanabe, M., Fujita, S., & Kataoka, R.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 126 Issue: 6
  • DOI: 10.1029/2021ja029232
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of the substorm as a manifestation of convection transient (2021)
  • Author(s): Tanaka, T., Ebihara, Y., Watanabe, M., Den, M., Fujita, S., Kikuchi, T., Hashimoto, K. K., & Kataoka, R.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 126 Issue: 10
  • DOI: 10.1029/2020ja028942
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Roles of the M-I coupling and plasma sheet dissipation on the growth-phase thinning and subsequent transition to the onset (2021)
  • Author(s): Tanaka, T., Ebihara, Y., Watanabe, M., Den, M., Fujita, S., Kikuchi, T., Hashimoto, K. K., Nishitani, N., & Kataoka, R.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 126 Issue: 12
  • DOI: 10.1029/2021ja029925
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Formation and release of the Harang reversal relating with the substorm onset process (2021)
  • Author(s): Tanaka, T., Ebihara, Y., Watanabe, M., Den, M., Fujita, S., Kikuchi, T., Hashimoto, K. K. , and Kataoka, R.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 126 Issue: 1
  • DOI: 10.1029/2020ja028170
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 磁気圏ダイナモと磁気圏磁場トポロジー (2020)
  • Author(s): 渡辺正和
  • Journal Title: オーロラ物理学シリーズ Volume: 4 Pages: 1-111
  • URL: http://id.nii.ac.jp/1291/00016231/
  • Open Access
• [Journal Article] 複合系磁気圏物理学 (2020)
  • Author(s): 田中高史
  • Journal Title: オーロラ物理学シリーズ Volume: 1 Pages: 1-149
  • URL: http://id.nii.ac.jp/1291/00016232/
  • Open Access
• [Presentation] 惑星間空間磁場北向き時のDungeyリコネクション (2024)
  • Author(s): 渡辺正和, 蔡東生, 熊沛坤, 藤田茂, 田中高史
  • Organizer: 極域・中緯度SuperDARN研究集会
• [Presentation] 北向き惑星間空間磁場におけるDungey型リコネクションの形状とその交換サイクルとの関係 (2024)
  • Author(s): 渡辺正和, 蔡東生, 熊沛坤, 藤田茂, 田中高史
  • Organizer: 第516回生存圏シンポジウム（2023年度RISH電波科学計算機実験シンポジウム）
• [Presentation] Magnetic field topology of the magnetosphere evolving polar cap bifurcation in the ionosphere (2023)
  • Author(s): Masakazu Watanabe, Dongsheng Cai, Peikun Xiong, Shigeru Fujita, and Takashi Tanaka
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 極冠分岐の磁場トポロジー (2023)
  • Author(s): 渡辺正和, 蔡東生, 熊沛坤, 藤田茂, 田中高史
  • Organizer: 第154回地球電磁気・地球惑星圏学会
• [Presentation] How does interchange reconnection proceed in the terrestrial magnetosphere? (2023)
  • Author(s): Masakazu Watanabe, Dongsheng Cai, Peikun Xiong, Shigeru Fujita, and Takashi Tanaka
  • Organizer: The 14th Symposium on Polar Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Geometric and dynamic properties of interchange reconnection in the Earth's magnetosphere (2022)
  • Author(s): Masakazu Watanabe, Dongsheng Cai, Peikun Xiong, Shigeru Fujita, and Takashi Tanaka
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 極冠分岐の磁場トポロジー (2022)
  • Author(s): 渡辺正和, 蔡東生, 熊沛坤, 藤田茂, 田中高史
  • Organizer: 第152回地球電磁気・地球惑星圏学会
• [Presentation] Reinterpreting “polar cap bifurcation” reproduced by magnetohydrodynamic simulations (2022)
  • Author(s): Masakazu Watanabe, Dongsheng Cai, Peikun Xiong, Shigeru Fujita, Takashi Tanaka
  • Organizer: The 13th Symposium on Polar Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 逆転対流セルを生み出す交換型リコネクションのトポロジー (2022)
  • Author(s): 渡辺正和, 蔡東生, 熊沛坤, 藤田茂, 田中高史
  • Organizer: 2021年度極域・中緯度SuperDARN 研究集会
• [Presentation] 交換型リコネクションの磁場トポロジー (2022)
  • Author(s): 渡辺正和, 蔡東生, 熊沛坤, 藤田茂, 田中高史
  • Organizer: 2021年度RISH電波科学計算機実験シンポジウム
• [Presentation] Topology and geometry of interchange-type reconnection in the terrestrial magnetosphere (2021)
  • Author(s): Watanabe, M., Asano, T., Cai, D., Xiong, P., Fujita, S., and Tanaka, T.
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 磁気圏尾部“乗り換えリコネクション”の磁場トポロジー (2021)
  • Author(s): 渡辺正和, 田中高史, 藤田茂,蔡東生, 熊沛坤
  • Organizer: 第150回地球電磁気・地球惑星圏学会
• [Presentation] A possible origin of the “polar cap bifurcation” during northward interplanetary magnetic field periods (2021)
  • Author(s): Watanabe, M., Cai, D., Xiong, P., Fujita, S., and Tanaka, T.
  • Organizer: The 12th Symposium on Polar Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 地球磁気圏における交換型リコネクション (2021)
  • Author(s): 渡辺正和，浅野智哉，蔡東生，熊沛坤，藤田茂，田中高史
  • Organizer: 2020年度KDKシンポジウム
• [Presentation] Ionospheric plasma sheet isolation during northward interplanetary magnetic field periods reproduced by numerical magnetohydrodynamic modeling (2020)
  • Author(s): Watanabe, M., T. Tanaka, and S. Fujita
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 電離圏でのプラズマシート孤立化を引き起こす磁気圏尾部「乗り換え」リコネクション (2020)
  • Author(s): 渡辺正和, 田中高史, 藤田茂
  • Organizer: 第148回地球電磁気・地球惑星圏学会
• [Presentation] Visualizing field-aligned electric fields associated with interchange-type reconnection (2020)
  • Author(s): Watanabe, M. , T. Asano, D. Cai, P. Xiong, S. Fujita, and T. Tanaka
  • Organizer: The 11th Symposium on Polar Science
  • Int'l Joint Research