2020 Fiscal Year Research-status Report
Particle Simulations on Space Plasma Interactions with Weakly-Magnetized Small Bodies
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17K14403
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
三宅 洋平 神戸大学, 計算科学教育センター, 准教授 (50547396)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 月惑星プラズマ / 超高層物理学 / 固体プラズマ相互作用 / 表面帯電 / 数値シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
宇宙空間を満たす電離気体であるプラズマが、人工衛星や固体天体と接触する界面では、プラズマの本来持つ電荷中性条件が破れ、静電場（電位勾配）が卓越する。これと同時に、この電位障壁を乗り越えた、もしくは逆に電位勾配に加速された一部の電子やイオンが固体表面に選択的に取り込まれ、再結合することにより、プラズマ側では粒子密度の減少や、非熱的電子成分が生成される。特に電子の旋回半径が物体や天体のサイズより小さいケースにおいては、このようなプラズマの乱れが長距離にわたって影響度を維持する。2020年度は上記の現象が、惑星プラズマ環境においても生起しうることを実証するため、土星大気に突入したカッシーニ探査機を対象に計算機シミュレーション研究を実施した。
①土星の電離圏に突入したカッシーニ探査機は、光電子放出など有意な負電荷放出プロセスが存在しない場合においても、正に帯電することが分かった。この結果は土星電離圏プラズマを構成する負性粒子種が電子ではなく、負の重イオンであることを想定することで説明が可能である。②探査機に搭載された高利得アンテナ部からプラズマ流の上流に向かって、高指向性の電子低密度領域が形成されることを確認した。これは電子の旋回半径が探査機サイズより小さいという条件より、過年度に実施した地球極域電離圏衛星を対象とするプラズマ環境数値解析で確認された「電子翼」と同質のものであると解釈される。③探査機の下流側には渦状の電子密度構造が確認された。希薄粒子流れであるプラズマ中がこのような渦構造を持つためには、数mの空間スケールで有効に作用する実効的な粘性が必要であるが、この起源については今後の解析が待たれる。
以上の解析により、本科研費課題が明らかにしてきた磁化プラズマ・物体相互作用が、特定の物理条件を満たす限り、様々な環境において生起可能であることを数値的に実証することに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究課題の当初の目的は、月などの固体天体表面と高層電磁気プロセスの物理的相関を明らかにすることであったが、電子ダイナミクスを特徴づける空間スケールと物体サイズの大小関係に共通する性質を持つ、電離圏プラズマ中の人工衛星にも類似の物理プロセスがみられることを確認した。これにより、計算コストの観点において、より扱いやすい数値モデルに基づく解析が可能となり、宇宙空間における物体プラズマ相互作用の理解を進展させることができた。同時により長距離のプラズマ数値シミュレーションを可能とする改良アルゴリズムの実装もほぼ完成している。今後、固体天体周辺プラズマの直接計算への展開が期待できる状況である。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度は、これまで計算機シミュレーションで得られた知見を整理し、物体プラズマ相互作用に関わる基本原理の一つとして、学術論文もしくは講演の形で成果を公表する計画である。また月プラズマ環境の数値シミュレーション研究は、2020年度より新たに開始された後継の科研費課題において継続して実施する計画である。
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた理由は、2020年度に予定していた学術講演会の延期などによるものである。これらは2021年度に（オンライン形式を含めて）開催される国内外会議での成果発表に利用する計画である。
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