2017 Fiscal Year Annual Research Report
Holistic study on the genesis and structure of magnetospheric plasma: understanding of auroral phenomena
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17H01177
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
吉田 善章 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (80182765)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西浦 正樹 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (60360616)
釼持 尚輝 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 助教 (80781319)
齋藤 晴彦 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (60415164)
渡邉 智彦 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (30260053)
沼田 龍介 兵庫県立大学, シミュレーション学研究科, 准教授 (30615787)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 自己組織化 / 磁気圏プラズマ / オーロラ / 内向き拡散 / トポロジー束縛 / 非ホロノミー系 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまでの研究で，磁気圏型プラズマの自己組織化は磁化した粒子に対するトポロジー束縛によって説明できることが示されている．電子系とイオン系は電場を仲介した渦運動（E×B ドリフトで近似できる）によって平衡する．しかし，厳密にはE×B ドリフトは非ホロノミーであり，磁場に平行な運動と結合する．その結果，極近傍に電場が生成することが理論的に予測されている．本研究では，コヒーレンスイメージングにより磁気圏全体のプラズマ回転流速を計測し，電場と回転速度との関係を理論的予測と比較検討することを目指している．また，数値シミュレーションによって，電離層・極近傍から赤道面をつなぐ不安定性，電場自己組織化と粒子輸送の関係を明らかにする．
本年度は，プラズマの発光からイオン温度およびイオン流速をプラズマ全領域にわたって同時計測できるコヒーレンスイメージング分光計測システムを開発し，初期的なデータの取得に成功した．この計測データには，真空容器の壁面からの反射光が混入していることを明らかにし，それを除去してプラズマ内の体積要素からの局所的発光のデータに再構成する計算手順の開発に着手した．
プラズマ平衡の自己組織化現象（内向き拡散）を駆動する揺らぎとしてドリフト周波数帯の揺動が磁場の変動も伴って励起されることが明らかになった．プラズマにガスパフによる密度の擾乱を加えることで，この揺動が強くなることを明らかにした．
プラズマ中の電子とイオンの密度とエネルギーのバランスをホリスティックに理解するために，空間分解能をもつ多チャンネルの温度・密度計測系を開発し，初期データを得た．
理論解析では，非ホロノミー束縛を受けた系の拡散作用について，H定理を証明することに成功した．シミュレーション研究では，磁気圏型の磁場配位をもつジャイロ運動論モデルを定式化し，コードの動作を確認した．
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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
実験研究の柱となるプラズマ中の温度および密度の分布を計測するために計測器であるコヒーレンスイメージング分光器や多チャンネル分光器（ポリクロメータ）などを独自に開発し，初期的なデータを得ることができた．これは，計測技術の開発としても重要な貢献である．既に専門誌に投稿している．
シミュレーション研究でも，磁気圏型の磁場配位のもとでジャイロ運動論シミュレーションを行うことが可能となり，今後様々な不安定性や乱流輸送についての研究が可能となった．
これらの成果は，今後研究を進めるための鍵となる成果である．
理論研究では，構造・運動の２次元性を幾何学的な特性からトポロジカルな特性へ一般化する理論を定式化した．この成果は，プラズマ物理に限らず，一般の非線形場の理論に応用できるものであり，Physical review Letters 誌に発表された．
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| Strategy for Future Research Activity |
RT-1 実験装置は宇宙プラズマに匹敵する（相似則をみたす）磁気圏型プラズマを生成できる．これを用いた実験を中核として，プラズマ中の運動・揺らぎの大規模な動態をホリスティックに可視化する研究を進める．今年度開発したコヒーレンスイメージング分光，ポッケルス電界計測システムを用いてデータを取得し，それからプラズマ中の局所データを構築するアルゴリズムの開発を進める．プラズマ全体の非接触計測や高周波電場の直接計測によって，これまで詳細が知られていない磁気圏内部の運動・揺動を高精度で明らかにする．自励的な揺動だけでなく，電離層およびプラズマシートからの擾乱を模擬する電磁場や粒子／プラズモイド入射に対する非線形応答を研究する．
理論解析では，非ホロノミー束縛の幾何学的効果に注目し，自己組織化されるプラズマの構造を幾何学的に特徴づけることをめざす．
シミュレーションによって，ミクロ（運動論）からマクロ（流体モデル）へ至る過程でトポロジー束縛が生まれる仕組みを解明する．
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