| Project/Area Number |
24K21562
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 17:Earth and planetary science and related fields
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
寺田 直樹 東北大学, 理学研究科, 教授 (70470060)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三宅 洋平 神戸大学, システム情報学研究科, 准教授 (50547396)
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| Project Period (FY) |
2024-06-28 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2026: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2025: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
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| Keywords | 大気流出 / モンテカルロ直接シミュレーション / 統合粒子コード / 火星 |
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| Outline of Research at the Start |
従来の理論・数値モデルでは取り扱いが困難であった惑星上層大気における中性大気-電離大気と熱的成分-非熱的成分のそれぞれの間のエネルギー分配、そしてそれらによって引き起こされる大気の熱的流出と非熱的流出を自己無撞着に解くべく、惑星上層大気の統合モンテカルロ直接シミュレーションコードを開発する。まずは火星を対象に5次元バージョン（実空間1次元＋速度空間3次元＋時間1次元）の統合コードの構築と検証を行い、異なる太陽活動度に対する火星上層大気の加熱率と流出率の応答を明らかにする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
惑星上層大気におけるエネルギー分配問題と大気流出過程を自己無撞着に解く「統合DSMCコード」の5次元版（実空間1次元＋速度空間3次元＋時間1次元）を構築すべく、課題aでは中性大気DSMCコードと電磁ハイブリッドコードの開発、課題bでは動的負荷分散技法OhHelpの中性大気DSMCコードへの実装、課題cでは構築したコードの検証に向けた探査機観測データ解析を実施した。
課題aでは、火星上層大気用に開発した中性大気DSMCコードの5次元版を水星外圏に適用し、微小隕石衝突時における外圏分子分布の動的な変動を再現した[寺田他，惑星科学会，2024]。電磁ハイブリッドコードの電子流体・電磁場計算を高精度化すべく、非MHD項を含む方程式系を高精度に解くことが可能なセミディスクリート中心スキームの開発と高次精度化を進めた[寺田他，STEシミュレーション研究会，2024]。そして大気光化学モデルやcubed sphere格子系で構築した多流体MHDモデル[Sakata+, JGR, 2024]等との計算モジュールの共有化の検討を進めた。
課題bでは、OhHelpを中性大気DSMCコードの5次元版に実装し、粒子数が十分に多い条件下での負荷均衡化と計算効率の向上を達成した[釜江他，JpGU，2024]。さらに6次元版にも実装し、イオンスパッタリング現象の数値実験において、動的な負荷分散機能による計算性能の向上を達成した[川村他，STEシミュレーション研究会，2024]。
課題cでは、構築したコードを探査機観測データと比較検証する手順を最終年度に予定しているため、今年度は火星探査機MAVENが取得した火星熱圏・電離圏の組成観測データを解析し、下層・中層大気から伝搬する大気重力波の影響による熱圏・電離圏組成変動の振幅や位相などの特性を明らかにした[Nakagawa+, JGR, 2024]。
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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
研究課題のすべての項目において、おおむね当初の計画通りに開発が進んでいる。特に課題bでは、動的負荷分散技法OhHelpを中性大気DSMCコードの5次元版と6次元版に実装し、動的な負荷分散機能による計算性能の向上を達成した。このOhHelpの実装は、当初の計画通り、もしくはそれよりも速いペースで進んでいる。今後、デバッグを重ねてコードの信頼性をさらに高めていく必要はあるが、研究期間内に余裕を持って実装を完了する見込みである。課題aでは、電子流体・電磁場計算部を解くセミディスクリート中心スキームの開発を順調に進めている。2次精度から5次精度までの複数のスキームの開発を進めており、既に初期結果を得ている。中性大気DSMCコードと電磁ハイブリッドコードの粒子衝突・移動計算部の共有化は、当初の計画通りに、研究計画2年目に実施する予定である。課題cでは、NASAの火星探査機MAVENによる火星熱圏・電離圏観測データの解析を順調に進めており、既に複数の学術論文として研究成果をまとめている。このように、すべての項目において、おおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
課題aでは、中性大気DSMCコードと電磁ハイブリッドコードの中核部分の共有化を進めて、統合DSMCコードの5次元版の構築を行う。前年度に動的負荷分散技法OhHelpを実装した中性大気DSMCコードの粒子衝突・移動計算部を、電磁ハイブリッドコードと共有化する。そして、電磁ハイブリッドコードの電子流体・電磁場計算部を高精度かつ数値的に安定したスキームで解くために、セミディスクリート中心スキームを組み込む。セミディスクリート中心スキームは、セル内の補間方法を変更することにより柔軟に計算精度を高めることができるので、2次精度から5次精度までの複数のスキームを導入して評価し、電磁ハイブリッドコードの電子流体・電磁場計算部の計算に最も適したスキームを決定する。
課題bでは、動的負荷分散技法OhHelpを実装済みの中性大気DSMCコードのデバッグを進めて、コードの信頼性を高める。そして本コードをベースにして、課題aで開発した電子流体・電磁場計算部の組み込みと粒子衝突・移動計算部の共有化を行うことで、統合DSMCコードを構築する。統合DSMCコードでは、惑星上層大気における光化学反応過程の計算も行うが、この光化学反応過程の計算は、別課題で開発済みの汎用光化学モデルPROTEUSの機能を組み込むことにより、開発の効率化と光化学計算の高度化を行う。
課題cでは、構築した統合DSMCコードの5次元版を用いて、火星上層大気の遷移領域における降り込みイオンと中性大気、熱的成分と非熱的成分のそれぞれの間のエネルギー分配の定量評価を行い、火星探査機MAVENの観測データと比較してコードの検証を行う。そして、異なる太陽活動度に対する火星上層大気の加熱率と流出率の応答を明らかにするとともに、火星以外の天体への適用も進める。
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