2021 Fiscal Year Research-status Report
磁気圏プラズマにおけるアルフベン波乱流と電子加速に関する研究
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21K03502
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| Research Institution | Hosei University |
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Principal Investigator |
西村 征也 法政大学, 理工学部, 准教授 (70548544)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 磁気圏プラズマ / 磁気圏-電離圏結合 / フィードバック不安定性 / 運動論的アルフベン波 / ジャイロ流体モデル / ジャイロ運動論モデル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年のフィードバック不安定性の理論研究においては、磁気圏モデルに対して運動論的効果を加味したモデルが用いられている。本研究においては、磁気圏に対してジャイロ流体モデルおよびジャイロ運動論モデルを適用した研究に取り組んでいる。以下、それぞれのモデルを用いた研究の概要について述べる。
磁気圏に対してジャイロ流体モデルを適用したフィードバック不安定性の非線形シミュレーションを行うと、磁力線に垂直な面内において、オーロラのひらひらと揺らめく現象に類似した構造が観察される。フィードバック不安定性の伝搬する方向に対して、平行な方向と垂直な方向に対する2次元の時系列データに対してスペクトル解析を行った結果、伝播方向に対してはほぼ同じ位相速度で伝播する特徴がある一方で、伝播方向に垂直な方向に対しては比較的ブロードな振動数スペクトルを持つことが明らかになった。モデル方程式をエネルギーの式に書き換えることによってエネルギー輸送経路を分析した結果、非線形発展において駆動されるモードの主な駆動源が電磁的非線形性であることが明らかになった。
フィードバック不安定性においては磁気圏と電離圏の結合を考えるが、ジャイロ運動論モデルの様な速度空間の自由度を持つモデルに対してどのように結合を表現するかは自明ではない。本研究においては、分布関数を速度空間において偶関数成分と奇関数成分に分離する手法を新たに導入した。この手法に基づいてフィードバック不安定性の線形安定性解析を再訪問した結果、従来の解析解から予測される最も不安定な解に相当する不安定性の励起が観察された。また、解析解と数値解の間にわずかな誤差が生じることが観察されたが、これは解析解の導出において仮定されている平面波近似が部分的に破綻していることが原因であることが明らかになった。
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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
今年度の研究においては、ジャイロ流体モデルを用いたフィードバック不安定性の非線形シミュレーション結果に対して詳細な解析を行い、非線形発展の特性に対する理解を進展させることができた。また、ジャイロ運動論モデルをフィードバック不安定性のシミュレーション研究に適用するための方法論を開拓して線形安定性解析を再訪問した結果、解析解とのベンチマークを行うことができた。以上から、磁気圏プラズマにおけるアルフベン波乱流の特性と電子加速機構に対する理解を進展させるための基盤となる知見の取得と方法論の開拓が順調に進展している。以上から、本研究課題の進捗状況は、おおむね順調に進展していると判断される。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究においては、磁気圏をスラブ磁場によって近似した系についてシミュレーションを行なってきた。今後の研究においては、磁気圏を双極子磁場によって近似した系へとシミュレーション対象を拡張させる。双極子磁場配位を考えることにより、磁力線に沿った方向の非一様性を考慮することができるようになり、より現実に近い状況においてアルフベン波乱流の特性と電子加速機構に関する研究を推進することができると考えられる。双極子磁場配位に対しては、運動論的アルフベン波の解析的な分散関係が導出できないため、ジャイロ流体モデルのクロージャを構築することができず、電子ランダウ減衰やミラー力の効果を適切に取り扱うことができない。従って、シミュレーションモデルとしてはジャイロ運動論モデルを用いる必要がある。
今後の研究においては、非線形シミュレーションを行う前段階という位置付けで、線形化ジャイロ運動論モデルを用いた双極子磁場配位におけるフィードバック不安定性の線形安定性解析に取り組む。これまでの研究において我々が導入した、分布関数を速度空間において偶関数成分と奇関数成分に分離する手法を適用したコードを開発する。予備的な解析として、MHDモデルを用いた線形安定性解析を進めており、理想MHD極限において、どのような不安定解が存在するかを予め把握しようと試みている。ジャイロ運動論モデルを用いた線形安定性解析においては、電子ランダウ減衰やミラー力の効果により、理想MHD極限における不安定解が大きな影響を受けることが予測される。
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| Causes of Carryover |
当初予定していた物品の購入が次年度へ先送りになった。また、国内外の学会がオンライン開催であったことにより、執行を計画していた出張旅費が発生しなかった。残額は次年度の研究活動のための予算に組み入れ、物品の購入費や出張旅費に当てる予定である。
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