2017 Fiscal Year Research-status Report
Particle Simulations on Space Plasma Interactions with Weakly-Magnetized Small Bodies
| Project/Area Number |
17K14403
|
|---|
| Research Institution | Kobe University |
|---|
Principal Investigator |
三宅 洋平 神戸大学, 計算科学教育センター, 准教授 (50547396)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
|
| Keywords | 月惑星プラズマ / プラズマ波動 / 超高層物理学 / 弱磁化天体 / 数値シミュレーション |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
月や小惑星など弱磁化固体天体のプラズマ環境を正確に把握する上で、固体表面－プラズマ相互作用は必要不可欠の要素である。本研究は、当該相互作用の結果、天体表層で生起するプラズマ・ダスト環境や非熱的プラズマ成分を数値的に予測した上で、高層への荷電粒子・エネルギー輸送過程を定量的に評価する。これにより両領域でのプラズマ過程の間の関連を明らかにする。H29年度の主な成果は以下の通りである。
①弱磁化小型天体と宇宙空間プラズマの相互作用過程の代表例として、月と太陽風プラズマの相互作用に着目した。スケール化された月全体を含む2次元グローバル粒子モデルプラズマ計算を実施し、月後方に掲載されるウェイクの境界周辺に静電的な波動の励起を確認した。本解析を行うにあたっては、低密度であるウェイク領域においても十分な個数の超粒子が必要となるため、1セルあたり512個の超粒子を導入した大規模計算を進めている。惑星間空間磁場(IMF)の角度を変更したいくつかの計算を実施したところ、この静電プラズマ波動は片側のウェイク境界のみで励起されることが確認された。これはウェイク境界電場とIMFの間の角度が重要なパラメータであることを示唆している。今後、Liouvilleの定理を利用したテスト粒子計算を活用して、ウェイク境界領域での速度分布関数を取得し、粒子モデルシミュレーションで確認された波動の励起プロセスの詳細に踏み込む計画である。
②月面で発見された縦孔と地下空洞地形に関して、プラズマ粒子シミュレーションコードEMSESを応用した3次元大規模数値解析を行い、その静電プラズマ環境を世界で初めて再現した。これにより、日向と日陰の帯電差に伴う局所的な強電場の存在と、縦孔内部への太陽風電子侵入の制限に起因する縦孔内外間の電位差、周辺のプラズマ粒子と帯電ダストの輸送機構を明らかにした。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初より3年間の課題実施期間で、①弱磁化天体表層環境と②高層電磁気プロセスの物理的相関を明らかにする計画であった。H29年度はこのうち①の固体表面近傍のプラズマ環境の定量的評価を集中的に実施した。固体－プラズマ相互作用によって形成される月ウェイクは、太陽風プロトンのジャイロ半径より大きな空間スケールを持つが、これを粒子モデルシミュレーションで再現するのは計算資源の観点から容易ではない。そこで本研究では、天体サイズやプラズマ条件を適切にスケール化することにより、ウェイク環境の構築と波動励起の再現に成功した。一方、上記の取り組みに時間を要した結果、当初計画されていたウェイク領域での速度分布関数解析を達成するまでには至らなかった。特に低密度領域であるウェイク中の計算粒子数の少なさから統計的な正確さを保証するのが難しい点も進捗に影響を及ぼした。このことから、当初設定した研究実施計画に照らして、「やや遅れている」と自己点検した。今後の展望については、Liouvilleの定理に基づく後方追跡法を適用したテスト粒子計算を併用することで、H30年度以降速やかに速度分布関数解析を進める予定である。
|
| Strategy for Future Research Activity |
H30年度は、前年度に引き続き月に着目し、研究目的である固体プラズマ境界圏と天体高層プラズマ環境の結合過程解明に向けて計算機実験解析を進める。これと並行してかぐや衛星やARTEMIS衛星の観測データを用いた観測研究との連携解析を展開する。
①天体表層から上層への非熱的プラズマ成分輸送および波動励起過程の数値解析
月の表層と高層プラズマ大気をつなぐ磁力線に沿った長距離の実パラメータ粒子モデル計算機実験を実施する。上端からは太陽風で一般的に見られる熱的プラズマ、下端からはH29年度の解析で得られたプラズマ環境を入力することで、下層での速度分布と波動観測領域である高度数10～100 kmにおける速度分布を、Liouvilleの定理により高精度にマッピングする。次に取得された電子分布関数を元にプラズマ波動励起の検討を行う。かぐや衛星による波動観測で観測されている、電子の温度異方性が原因とみられるELF波動に着目し、ホイッスラーモードを念頭に成長率と波動特性を評価し、観測結果との比較検討を実施する。
②固体天体高層の波動励起計算機実験と衛星観測データの連携解析
月昼側高度、数10 km以上では、ホイッスラーとみられるELF波動の励起がしばしば観測されているが、それと同時に行われた粒子観測は月面から到来した電子の分布関数に欠損や温度異方性が確認されている。こうした波動現象は、観測領域における磁力線が天体表面に突き刺さっている際に顕著になっており、天体表面での電子デバイ長スケールの粒子損失・反射・加速・加熱プロセスが、はるか高層のプラズマ過程に重要な役割を果たすことを強く示唆している。H29年度に開始した天体固体表面－プラズマ相互作用の計算機実験結果とかぐややARTEMIS衛星による観測データを比較検討することで、上述のスケール間結合の詳細を明らかにする。
|
| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた理由として最も大きな点は、当初予定されていた固体天体表面近傍のプラズマ速度分布関数解析等の課題実施順序を変更したことがあげられる。これにより、月惑星環境の大規模数値データ解析サーバの導入がH30年度以降にずれ込む見込みである。またH29年度で得られた研究成果をまとめた論文を現在執筆中である。この採録が決定した後に論文出版費として、H29年度支出予定だった経費を充てる計画である。
|
