2020 Fiscal Year Annual Research Report
Holistic study on the genesis and structure of magnetospheric plasma: understanding of auroral phenomena
| Project/Area Number |
17H01177
|
|---|
| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
|---|
Principal Investigator |
吉田 善章 核融合科学研究所, その他部局等, 所長 (80182765)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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)
西浦 正樹 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (60360616)
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)
釼持 尚輝 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (80781319)
佐藤 直木 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 助教 (60872893)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
|
| Keywords | プラズマ物理 / 非線形科学 / 磁気圏プラズマ / 自己組織化 / 渦 / オーロラ / ホイッスラー / 宇宙・天体プラズマ |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
磁気圏は自然界において自発的に生成されるプラズマ閉じ込めシステムである．その形成メカニズム，特に磁力線方向の荷電粒子運動の効果に関する実験および理論研究を総合的に進めている．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，その内部構造を明らかにするための計測・データ解析技術を開発しつつ，プラズマ中の運動・揺らぎの大規模な構造を研究した．
磁気圏の磁場によって磁化された荷電粒子は磁気圏内部へ向かって拡散するが，そのために密度は内側に集中し，拡散が密度勾配を強めるという一見エントロピー法則に反する現象が起こる．このような密度勾配の自己組織化が何故起こるのかは，荷電粒子運動に対するトポロジー束縛によって説明できる．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磁気モーメントの断熱不変性に起因することを明らかにした．2020年度の研究では，プラズマへのガス入射を行い，それによって引き起こされるプラズマの構造変化について研究した．深層学習を用いたトモグラフィ法をライン比分光イメージング計測に適用し，内向き拡散により自発的に形成されるピークした密度分布を詳細に可視化した．また，高エネルギー電子によってWhistler波の自発励起が起こることを実験的に示した．この成果は，地球磁気圏の衛星観測と連携して粒子・波相互作用の物理を発展させる成果と言える．
理論解析では，様々な物理モデルに現れるトポロジー束縛のキラリティーを数学的に分類する研究を行った．これはLie-Poisson代数の特異点を幾何学的に分類する研究として位置付けられる．ジャイロ運動論コードを用いてイオンおよび電子温度勾配不安定性を解析した，ExB ドリフト運動を含む、非可積分トポロジー束縛を持つ三次元の力学系の統計平衡を導出した．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
（１）実験データ解析の方法論的イノベーションとして，深層学習を応用したアルゴリズムを開発した．
（２）トポロジー束縛とマクロ階層の関係を数学的に定式化する中から，カイラリティーをもつ場の理論をシステマティックに導く理論を得た．
（３）運動論モデルから粒子運動のミラー効果を反映した巨視的平衡のモデルを構築し，数値計算で磁気圏プラズマの高ベータ平衡解を得る研究を進める．理論計算の結果と実験を比較し，磁力線方向の粒子運動の効果を確認する．
（４）ジャイロ運動論シミュレーションによって磁気圏プラズマにおけるドリフト波乱流の駆動メカニズムを明らかにする．
（５）プラズマ理論の幾何学的構造を研究する国際共同研究をテキサス大学オースチン校・P. J. Morrison教授を招聘して実施する予定であったが，コロナ禍のために延期した．Zoom会議を行うなどして，共同研究の一部は進行中である．
|
| Strategy for Future Research Activity |
１）磁気圏型プラズマ実験装置RT-1を用いた実験研究を継続し，天体磁気圏で観測されているプラズマ現象の物理的機構を明らかにする．とくに高エネルギー電子による高周波の電磁揺動（ホイッスラー波）の励起に関する研究を進めるために，電磁ノイズ耐性が高い電磁場計測法の開発，深層学習を用いたデータ解析法など，実験技術の開発を進める．
２）非線形系における安定構造の自己組織化の理論を深化させるため，運動法則の基底にあるLie代数の構造に注目した研究を進める．
３）帯状流の自己組織化に関する理論研究を進める．とくに異なる保存則（トポロジー束縛）の役割を明らかにする．
４）トポロジー束縛の理論を相対論に拡張し，宇宙・天体の構造に応用できる理論を開発する．
|
-
-
-
-
-
-
-
-
-
[Presentation] 西浦正樹, 釼持尚輝, 奴賀秀男, 關良輔, 久保伸, 田中謙治, 足立迅, 下妻隆, 斉藤輝雄, Moseev Dmitry, Salewski Mirko, LHD実験グループ2021
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
