2015 Fiscal Year Research-status Report
磁気圏編隊観測を用いた三次元磁気リコネクションの研究
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15K05306
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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) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 磁気リコネクション / 編隊衛星観測 / 磁気フラックスロープ / 磁気圏界面 / 電子電磁流体 / 電子拡散領域 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成２７年度は、磁気リコネクションのエンジン部分である電子拡散領域とその周辺の二次元磁場・速度場構造を、一衛星観測から再現するためのデータ解析手法を開発し、磁気リコネクションの二次元粒子シミュレーションを用いて試験した。その結果、磁場と電子モーメントの観測データを用いて、運動論的磁気リコネクションの特徴的な磁場構造であるXタイプの磁力線形状と四重極型のホール磁場や、電子流体が電子拡散領域に向かって流れ、そこから電子のアルヴェン速度に匹敵する高速で出ていく様子を、二次元マップとして再現できることを確認した。2015年3月に打上げられた米国のMagnetospheric Multiscale（MMS）衛星によって取得される、高時間分解能の電子観測に適用することにより、電子拡散領域の場所と形状や大きさ、三次元性の度合いを推定する事が可能になる。また、磁気リコネクションの効率、つまり磁場のトポロジー変換が起こって磁束が輸送される速度を推定できる。
開発した手法は、電子の電磁流体方程式系に基づいており、反平行磁気リコネクションの電子拡散領域に適用できるので、磁気圏尾部で発生する磁気リコネクションの解析に利用することができる。また、高確度観測が難しい電場のデータを必要としないため、適用できる観測データに対する制約が大きくないのが重要な点である。
さらに、ジオテイル衛星とMMS衛星による、異なる緯度・経度での昼側磁気圏界面の同時観測イベントを解析し、太陽風磁場が南向きの時に発生する磁気リコネクションの四次元時空間における特性を調べた。結果として、磁気リコネクションライン（X-line）が約10倍地球半径の長さとなりうること、磁気リコネクションが数時間にわたって継続すること、磁気リコネクションジェットの境界面法線方向の厚みがX-lineからの距離とともに大きくなること等を明らかにした。
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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
磁気リコネクションの鍵領域である電子拡散領域の二次元構造を、その場観測から再現するデータ解析手法の開発や試験がほぼ終了した。電子の電磁流体方程式系に基づいて、電子慣性効果が無視できる場合の数値コードと、電子慣性効果が有限の場合の数値コードを開発し、磁気リコネクションの二次元粒子シミュレーション結果を用いて、電子拡散領域再現法の試験を行った。その結果、電子慣性効果がある場合の数値コードは、支配方程式の解に特異点が発生しやすく、数値誤差が大きくなるため、現段階では実用には耐えないことが分かった。また、反平行磁気リコネクションとリコネクションラインに平行な磁場成分（ガイド磁場）がある場合の成分リコネクションのそれぞれについて、再現コードを開発した。ガイド磁場がある場合には、電子拡散領域における散逸項が複雑化し、数値誤差が大きくなるため、現段階では実用に耐えないことが分かった。
一方で、比較的単純な、電子慣性効果が無視できる条件下での反平行磁気リコネクション用に開発された再現コードが、電子慣性がある状況やガイド磁場が小さい状況にも、ある程度適用可能であることが判明し、実用に耐えうるものであることを確認した。さらに、実際にMMS衛星によって電子拡散領域近傍で取得された観測データに適用することによって、もっともらしい磁気リコネクションの二次元構造が再現できることを明らかにした。再現法が実際の観測に適用できることを示すことができただけでなく、MMS衛星が間違いなく電子拡散領域の近傍を通過したということを検証できたという点で、意義のある研究の進捗である。以上の理由により、研究の目的はおおむね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
MMS衛星搭載の観測器は、ほぼすべてが正常に機能しており、2016年3月からは科学的な解析に使用可能なLevel-2データが順次公開されている。したがって本研究課題の遂行に必要な観測データは問題なく取得できているとともに、今後も取得できる見込みである。年に二回ほど開催されているMMSミッションのサイエンスチーム会議や米国地球物理学連合と同時期に開催される会合などに定期的に出席し、情報交換を行うとともに、本研究課題の遂行に必要な打合せや議論を行う。MMS衛星は、2016年度中までは昼側磁気圏界面の観測を重点的に行う予定であり、2017年度以降には、磁気圏尾部における磁気リコネクションや関連現象の観測に集中する。本研究も、その観測フェーズに沿って推進する。
今後は、三次元磁気リコネクションの鍵領域である磁気ヌル点やセパレータを同定するための解析手法の開発を行い、その実際の観測データへの適用により、科学的に意味のある情報を抽出していく必要がある。これについては筑波大学の蔡准教授らとの共同研究により推進していく予定である。また、電子拡散領域の二次元構造だけでなく、三次元構造を再現するためのデータ解析手法も開発していく必要があると考えているが、これについてはまだ具体的な形となったアイデアがなく、米国ダートマス大学のSonnerup教授やDenton教授と、今後も検討を継続してゆく。一方、27年度に開発した二次元構造再現法についても、さらなる試験を行っていく必要がある。現段階のコードは原則として、密度や温度の空間的不連続がない対称電流層にのみ適用できるものであるので、磁気圏界面で発生するような非対称磁気リコネクションにも適用可能かどうか確認する必要がある。この試験のためには、粒子シミュレーションの専門家であるオーストリア宇宙科学研究所の中村琢磨氏の協力を求める予定である。
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| Causes of Carryover |
次年度使用額はわずかであり、これは物品費が予定より低くおさえられたからである。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度使用額は次年度の旅費等に使用する。
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[Presentation] Structure of magnetic reconnection jets at the Earth’s dayside magnetopause: Geotail and MMS simultaneous observations2016
Author(s)
H. Hasegawa, N. Kitamura, Y. Saito, I. Shinohara, S. Yokota, T. Nagai, C. J. Pollock, B. Giles, J. Dorelli, D. J. Gershman, L. Avanov, S. Kreisler, M. Chandler, V. Coffey, J. Burch, R. Torbert, T. E. Moore, C. T. Russell, R. J. Strangeway, G. Le, M. Oka, T. D. Phan, S. Zenitani, and M. Hesse
Organizer
The US-Japan Workshop on Magnetic Reconnection (MR2016)
Place of Presentation
Napa (California)
Year and Date
2016-03-07 – 2016-03-11
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] The fine structure of the magnetosheath boundary layer during magnetic reconnection at the Earth’s magnetopause2016
Author(s)
B. Lavraud, Y. Vernisse, D. J. Gershman, J. Dorelli, P. Cassak, C. Pollock, B. Giles, N. Aunai, M. Argall, L. Avanov, A. Barrie, J. Burch, M. Chandler, L.-J. Chen, G. Clark, I. Cohen, V. Coffey, J. Dargent, J. Eastwood, S. Eriksson, R. Ergun, C. J. Farrugia, S. A. Fuselier, V. Genot, H. Hasegawa, et al.
Organizer
The US-Japan Workshop on Magnetic Reconnection (MR2016)
Place of Presentation
Napa (California)
Year and Date
2016-03-07 – 2016-03-11
Int'l Joint Research
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[Presentation] Small-scale topological changes associated with magnetic reconnection during Kelvin-Helmholtz instability at the Earth’s Magnetopause2016
Author(s)
Y. Vernisse, B. Lavraud, S. Eriksson, D. J. Gershman, J. Dorelli, C. Pollock, B. Giles, N. Aunai, L. Avanov, A. Barrie, J. Burch, M. Chandler, L.-J. Chen, G. Clark, V. Coffey, J. Dargent, F. D. Wilder, R. Ergun, C. J. Farrugia, V. Genot, H. Hasegawa, et al.
Organizer
The US-Japan Workshop on Magnetic Reconnection (MR2016)
Place of Presentation
Napa (California)
Year and Date
2016-03-07 – 2016-03-11
Int'l Joint Research
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[Presentation] Fast Plasma Measurements during Phase 1A of NASA's Magnetic Multiscale Mission: A First Assessment2016
Author(s)
B. L. Giles, C. J. Pollock, J. Dorelli, D. J. Gershman, T. E. Moore, L. A. Avanov, A. Barrie, S. Boardsen, J. L. Burch, M. O. Chandler, L.-J.Chen, V. N. Coffey, H. Hasegawa, S. Kreisler, B. Lavraud, W. R. Paterson, T. D. Phan, A. C. Rager, C. T. Russell, Y. Saito, C. Schiff, S. Smith, R. B. Torbert, and A. F. Vinas
Organizer
The US-Japan Workshop on Magnetic Reconnection (MR2016)
Place of Presentation
Napa (California)
Year and Date
2016-03-07 – 2016-03-11
Int'l Joint Research
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[Presentation] Generation of turbulence in Earth’s magnetosphere2015
Author(s)
Hasegawa, H., T. K. M. Nakamura, M. Hoshino, I. Shinohara, and T. Nagai
Organizer
International Workshop and School on solar system plasma turbulence, intermittency and multifractals (STORM 2015)
Place of Presentation
Mamaia (Romania)
Year and Date
2015-09-06 – 2015-09-13
Int'l Joint Research / Invited
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