放射線帯非線形波動粒子相互作用のシミュレーション研究

2012 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22684025
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 加藤 雄人 東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (60378982)
• Project Period (FY): 2010-04-01 – 2013-03-31
• Keywords: 超高層物理学 / 磁気圏・電離圏 / 宇宙科学 / 放射線帯 / 非線形波動粒子相互作用 / ホイッスラーモード / 計算機実験

Research Abstract

本研究は以下の３つの研究課題を柱にして遂行された。
[A] 非線形波動成長理論に基づくトリガードエミッション励起過程の研究
[B] 実パラメータ計算によるコーラス放射励起過程の定量的解明
[C] 超並列計算に対応した放射線帯電子加速シミュレーションコードの開発
課題[A]および[B]については、トリガードエミッションならびコーラス放射発生過程を再現する計算機実験を実施し、励起するコヒーレントなホイッスラーモード波動の波動特性を議論した。特にコーラス放射の再現実験では、科学衛星による直接観測ならびに磁場モデルから示される磁気赤道領域のプラズマ環境をシミュレーション空間上に再現し、放射線帯領域で発生するコーラス放射の波動特性を定量的に評価した。その結果得られた主な成果としては（１）磁気赤道における高エネルギー電子の初期速度分布が同一とした場合でも、発生するコーラス放射のスペクトルが背景磁場非一様性の空間スケールに応じて変化すること、（２）コーラス放射発生に必要とされる波動振幅の閾値が非常に小さい条件ではコーラス放射が断続的に励起される状況となり、ヒス状のスペクトルとなること、ならびに（３）放射線帯領域の実パラメータ計算でコーラス放射発生過程の再現に成功したことが挙げられる。また課題[C]に関しては、電子ハイブリッドコードならびに新たに開発した空間２次元コードの演算性能を、京都大学のCray XE6ならびに九州大学のFUJITSU PRIMEHPC FX10を利用して4096並列まで評価した。その結果、weak scalingでは良好なスケーラビリティが得られた一方、strong scalingでは1024並列数以上で性能低下が見られたが、粒子および電磁場配列のマージなどの最適化を実施することで、性能向上を実現した。以上の成果は学術論文として投稿し、国内外での学会発表８件で公表した。

Current Status of Research Progress

Reason

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Frequency drift of Saturn chorus emission compared to nonlinear theory (2013)
  • Author(s): Menietti, J. D., Y. Katoh, G. B.Hospodarsky, and D. A. Gurnett
  • Journal Title: J. Geophys. Res Volume: 118 Pages: 982-990
  • DOI: doi:10.1002/jgra.50165
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A study of the plasma wave enhancements in the Earth's equatorial plasmasphere (2013)
  • Author(s): Kalaee, M. J., Y. Katoh, and T. Ono
  • Journal Title: Earth Moon Planets
  • DOI: doi:10.1007/s11038-013-9414-6
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Significance of Wave-Particle Interaction Analyzer for direct measurements of nonlinear wave-particle interactions (2013)
  • Author(s): Katoh, Y., M. Kitahara, H. Kojima, Y. Omura, S. Kasahara, M. Hirahara, Y. Miyoshi, K. Seki, K. Asamura, T. Takashima, and T. Ono
  • Journal Title: Ann. Geophys. Volume: 31 Pages: 503-512
  • DOI: doi:10.5194/angeo-31-503-2013
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] THEMIS observation of chorus elements without a gap at half the gyrofrequency (2012)
  • Author(s): Kurita, S., Y. Katoh, Y. Omura, V.Angelopoulos, C. M. Cully, O. Le Contel, and H. Misawa
  • Journal Title: J. Geophys. Res Volume: 117 Pages: A11223
  • DOI: doi:10.1029/2012JA018076
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of the photo-dissociations on the spreading of OH and O cloud in Saturn's inner magnetosphere (2012)
  • Author(s): Tadokoro, H., H. Misawa, F. Tsuchiya, Y. Katoh, A. Morioka, and M. Yoneda
  • Journal Title: J. Geophys. Res. Volume: 117 Pages: A09226
  • DOI: doi:10.1029/2011JA017492
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The Energization and Radiation in Geospace (ERG) Project (2012)
  • Author(s): Miyoshi, Y. et al. (Y. Katoh, 22番目)
  • Journal Title: “Dynamics of the Earth's Radiation Belts and Inner Magnetosphere”, Geophys. Monogr. Ser. Volume: 199 Pages: 103-116
  • DOI: doi:10.1029/2012GM001304
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 地球磁気圏におけるホイッスラーモード・コーラス放射と高エネルギー電子との相互作用の直接観測に向けた検討：Wave-Particle Interaction Analyzer (WPIA) (2013)
  • Author(s): 加藤雄人, 疋島充, 小嶋浩嗣, 大村善治, 笠原慧, 平原聖文, 三好由純, 関華奈子, 浅村和史, 高島健, 小野高幸
  • Organizer: 日本物理学会第68回年次大会
  • Place of Presentation: 広島
  • Year and Date: 20130326-20130329
• [Presentation] Significance of Wave-Particle Interaction Analyzer for direct measurement of nonlinear wave-particle interactions (2012)
  • Author(s): Katoh, Y., M. Kitahara, H. Kojima, Y. Omura, S. Kasahara, M. Hirahara, Y. Miyoshi, K. Seki, K. Asamura, T. Takashima, and T. Ono
  • Organizer: American Geophysical Union Fall Meeting
  • Place of Presentation: San Francisco, USA
  • Year and Date: 20121203-20121207
• [Presentation] Numerical study of chorus wave generation in the inner magnetosphere during the storm-time condition (2012)
  • Author(s): Katoh, Y., Y. Omura, Y. Miyoshi, M. Hikishima, and K. Seki
  • Organizer: 第132回地球電磁気・地球惑星圏学会講演会
  • Place of Presentation: 札幌
  • Year and Date: 20121020-20121023
• [Presentation] A two-dimensional simulation of whistler-mode waves propagating in the dipole magnetic field (2012)
  • Author(s): Katoh, Y.
  • Organizer: 第132回地球電磁気・地球惑星圏学会講演会
  • Place of Presentation: 札幌
  • Year and Date: 20121020-20121023
• [Presentation] Electron hybrid simulation of nonlinear wave growth of whistler-mode chorus emissions in the equatorial region of the Earth's inner magnetosphere (2012)
  • Author(s): Katoh, Y. and Y. Omura
  • Organizer: AOGS-AGU (WPGM) Joint Assembly
  • Place of Presentation: Resorts World Convention Centre, Singapore
  • Year and Date: 20120813-20120817
• [Presentation] Comparative study of terrestrial and Jovian whistler-mode chorus emissions (2012)
  • Author(s): Katoh, Y.
  • Organizer: AOGS-AGU (WPGM) Joint Assembly
  • Place of Presentation: Resorts World Convention Centre, Singapore
  • Year and Date: 20120813-20120817
• [Presentation] Nonlinear wave growth of whistler-mode chorus emissions in the equatorial region of the Earth's inner magnetosphere (2012)
  • Author(s): Katoh, Y. and Y. Omura
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2012年大会
  • Place of Presentation: 千葉
  • Year and Date: 20120520-20120525
• [Presentation] Simulation study of whistler-mode wave propagation in the dipole coordinate (2012)
  • Author(s): Katoh, Y.
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2012年大会
  • Place of Presentation: 千葉
  • Year and Date: 20120520-20120525