Study on the generation mechanism of micro-scale turbulence in Earth's magnetosphere based on high-resolution plasma measurements and innovative analysis methods
| Project/Area Number |
21K03504
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 14010:Fundamental plasma-related
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
長谷川 洋 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 助教 (50435799)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2021: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
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| Keywords | プラズマ乱流 / 磁気リコネクション / 磁場消滅 / 人工衛星直接観測 / 磁気フラックスロープ / 無衝突プラズマ / ケルビン・ヘルムホルツ不安定 / 電子電磁流体力学 / 地球磁気圏 / 編隊飛行衛星 |
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| Outline of Research at the Start |
プラズマ乱流は、無衝突プラズマにおける物質・運動量輸送、粒子加熱・加速の重要な要素である。本研究では、宇宙プラズマ乱流の発生機構の解明を目的として、NASAのMagnetospheric Multiscale（MMS）衛星が取得した高精度かつ高分解能の地球磁気圏プラズマ観測データを、乱流モードを同定できる革新的な解析手法を用いて解析する。特に、プラズマ拡散輸送や加熱への直接的な影響が期待されるが、実態はよくわかっていない、ミクロ乱流の発生・進化過程に焦点をあて、地球磁気圏内外の各領域にどのような乱流が介在し、乱流が物質・エネルギー輸送に寄与しているかどうか、観測的に理解することを目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
プラズマ乱流は太陽風や実験室プラズマなどプラズマ宇宙に普遍的に存在する現象であり、プラズマの輸送や混合などに関わる重要な素過程であるが、その励起・発達機構はよくわかっていない。その理由の一つはプラズマ乱流が成長する現場の直接観測が容易でないことである。本研究では、太陽風と地球磁気圏の相互作用によってプラズマ乱流が励起される現場である磁気圏境界領域等における人工衛星直接詳細観測のデータを最先端の解析手法を用いて分析し、乱流の励起過程に関する知見を得ることを目的としている。
2022年度は、Magnetospheric Multiscale（MMS）衛星によって観測された磁気圏尾部での磁気リコネクションイベントを解析し、磁気リコネクションが発生している電子慣性長スケールの薄い電流層の中で磁場の消滅が起こっていることを世界で初めて発見した。従来、磁気リコネクション過程における磁場エネルギーから電子エネルギーへの変換はX点と呼ばれる特異点でおこり、磁気リコネクション領域に注入される磁束の一部はX点の下流にリコネクションジェットと共に放出されると考えられていた。しかし今回発表した論文では、エネルギー変換領域がジェット方向に引き伸ばされ、X点から一次元的な伸びた電流層構造を持つようになった場合には、注入された磁場がすべて電流層中で消滅しうることを、理論的考察、人工衛星データ解析、シミュレーション計算の３つの方法すべてによって示した。
また、磁気圏境界領域では磁気フラックスロープなどを伴う乱流的な磁場擾乱が観測されるが、その発生機構はよくわかっていない。2022年度に行ったMMS衛星を用いたデータ解析研究によって、磁気リコネクションが起こっている電子慣性長スケールの電流層から自発的に磁気フラックスロープが発生し、その成長とともに次第により大きな磁場擾乱構造になっていくことが明らかになった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
今年度出版された学術論文（Hasegawa et al. 2022）で報告した、磁気リコネクションを起こしている電流層での磁場消滅の発見は人工衛星観測データの詳細解析によって明らかになった世界初の成果であり、予期せぬものであった。プラズマ乱流中において磁気エネルギーがいかに散逸されるかという問題は無衝突プラズマ乱流における最重要課題の一つであるが、発見された磁場消滅は乱流磁場の散逸機構の一つになりうるという点で、問題解決のための転換点になりうる画期的な成果であると考える。コロナ禍の制約が徐々に緩和され、研究会や国際学会などで対面の議論が行えるようになり、関係研究者と直接会って共同研究の可能性について話したり、共同研究者と実際の作業の分担や計画について打合せを行ったりすることができた。特に、米国側の資金的援助によって米国サウスウェスト研究所に約３か月間滞在し、効率的に研究や議論を行うことができたのは今年度の大きな成果であった。そこで行った磁気リコネクションと乱流的な磁場擾乱を伴う磁気フラックスロープの形成過程とその内外における電磁場と電子の間のエネルギー変換過程に関する研究成果は年度末までに論文出版されることとなった。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度にはMagnetospheric Multiscale（MMS）衛星によって地球磁気圏境界領域で同定されたケルビン・ヘルムホルツ不安定に伴う表面波・プラズマ渦乱流の観測事例の中から、代表的な一例として太陽風磁場が南向きの時の事例のデータ解析を進めた。今後はこの事例をさらに詳しく解析していくとともに、プラズマ乱流を解析するための新しい手法の開発に着手する。特に、プラズマ乱流中で発生することがある磁気リコネクションは、しばしば強い温度異方性を伴って観測されることがあるので、温度異方性を考慮した上で磁気リコネクション領域の二次元構造（磁場や電子の速度場）をその場観測データから再現するための解析手法を開発する。すでに理論的なアイデアはほぼ完成しているので、今後は解析プログラムを開発し、試験していく予定である。
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Report
(2 results)
Research Products
(41 results)
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[Presentation] Evidence for ion-scale magnetic flux ropes generated in electron-scale magnetopause current sheet2022
Author(s)
Hasegawa, H., Denton, R. E., Hwang, K.-J., Dokgo, K., Nakamura, T. K. M., and Burch, J. L.
Organizer
MMS Community Science Workshop #8
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[Presentation] Test of polynomial reconstructions using particle-in-cell simulation data2022
Author(s)
Denton, R. E., Liu, Y.-H., Hasegawa, H., Torbert, R. B., Egedal, J., and Schroeder, J. M.
Organizer
MMS Community Science Workshop #8
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[Presentation] Multi-scale observations of the magnetopause Kelvin-Helmholtz waves during southward IMF2022
Author(s)
Blasl, K. A., Nakamura, T. K. M., Plaschke, F., Nakamura, R., Hasegawa, H., Stawarz, J. E., Liu, Y.-H., Peery, S., Holmes, J. C., Hosner, M., Schmid, D., Roberts, O. W., and Volwerk, M.
Organizer
EGU General Assembly 2022
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[Presentation] Reconnection signatures within the Kelvin-Helmholtz vortex-induced lower-hybrid waves at Earth’s magnetopause2022
Author(s)
Blasl, K. A., Nakamura, T. K. M., Nakamura, R., Hasegawa, H., Liu, Y.-H., Holmes, J. C., Hosner, M., Schmid, D., Roberts, O. W., Volwerk, M., Voros, Z., and Panov, E.
Organizer
COSPAR 2022 - 44th Scientific Assembly
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[Presentation] Hasegawa, H., R. E. Denton, K.-J. Hwang, K. Dokgo, T. K. M. Nakamura, and J. L. Burch, Generation of ion-scale magnetic flux ropes from electron-scale magnetopause current sheet2022
Author(s)
Hasegawa, H., R. E. Denton, K.-J. Hwang, K. Dokgo, T. K. M. Nakamura, and J. L. Burch
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[Presentation] Reconnection signatures within the Kelvin-Helmholtz vortex-induced lower-hybrid waves at Earth’s magnetopause2022
Author(s)
Blasl, K. A., T. K. M. Nakamura, R. Nakamura, Z. Voros, M. Hosner, D. Schmid, A. Settino, M. Volwerk, O. W. Roberts, E. V. Panov, Y.-H. Liu, F. Plaschke, H. Hasegawa, J. E. Stawarz, and J. C. Holmes
Organizer
AGU Fall Meeting 2022
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[Presentation] Multi-scale and cross-process character of the Kelvin-Helmholtz instability during southward interplanetary magnetic field conditions2022
Author(s)
Blasl, K. A., T. K. M. Nakamura, R. Nakamura, F. Plaschke, Z. Voros, H. Hasegawa, M. Hosner, D. Schmid, A. Settino, M. Volwerk, O. W. Roberts, E. V. Panov, Y.-H. Liu, S. Peery, J. E. Stawarz, and J. C. Holmes
Organizer
AGU Fall Meeting 2022
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[Presentation] Fast magnetic-field annihilation in electron-scale current sheet in Earth’s magnetotail2021
Author(s)
Hasegawa, H., R. E. Denton, K. J. Genestreti, T. K. M. Nakamura, T. D. Phan, R. Nakamura, K.-J. Hwang, N. Ahmadi, Q. Q. Shi, M. Hesse, J. L. Burch, J. M. Webster, R. B. Torbert, B. L. Giles, D. J. Gershman, C. T. Russell, H. Y. Wei, P.-A. Lindqvist, Y. V. Khotyaintsev, R. E. Ergun, and Y. Saito
Organizer
JpGU Meeting 2021
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[Presentation] On the origin of cold-dense plasmas in the dusk magnetotail plasma sheet: MMS and Geotail observations2021
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Nishino, M. N., Y. Saito, H. Hasegawa, N. Kitamura, Y. Miyashita, T. Nagai, S. Yokota, D. Gershman, C. T. Russell, and B. L. Giles
Organizer
JpGU Meeting 2021
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[Presentation] Multi-scale observations of the magnetopause Kelvin-Helmholtz waves during southward IMF2021
Author(s)
Blasl, K. A., Nakamura, T. K. M., Plaschke, F., Nakamura, R., Hasegawa, H., Stawarz, J. E., Liu, Y.-H., Peery, S., Hosner, M., Schmid, D., Holmes, J., Roberts, O. W., and Volwerk, M.
Organizer
AGU Fall Meeting 2021
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[Presentation] Vortex-induced reconnection at the Earth’s magnetopause2021
Author(s)
Nakamura, T. K. M., Hasegawa, H., Stawarz, J. E., Eriksson, S., Li, W. Y., and Blasl, K. A.
Organizer
AGU Fall Meeting 2021
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