３次元全粒子シミュレーションによる月面磁気異常と太陽風の運動論的相互作用の研究

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 23340148
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 臼井 英之 神戸大学, システム情報学研究科, 教授 (10243081)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 月面磁気異常 / 宇宙プラズマ / プラズマ粒子シミュレーション

Outline of Annual Research Achievements

かぐや衛星により月面近傍での太陽風イオン反射や粒子加熱が頻繁に観測され、月面磁気異常と太陽風の相互作用が強く示唆されている。磁気異常のスケールは太陽風イオン慣性長と同等またはそれ以下であり、この相互作用の本質的理解にはMHD近似ではなく太陽風プラズマの粒子効果を含めた解析が必須である。そこで本研究では、特にイオンスケールから電子スケールを含む高度100kmまでの領域に着目し、そこでの小型磁気圏形成とそれに関連した宇宙プラズマ現象について3次元全粒子シミュレーション解析を実行し、月面磁気異常領域のプラズマ環境を解明する。
これまでのシミュレーションにより、磁気異常上空におけるプラズマ空間分布および電界形成に関してこれまでわからなかった新しい知見が得られた。太陽風と月面磁気異常の相互作用で形成される小規模磁場領域では電子は磁場に捕捉されるため、イオンと電子の挙動の違いによる電荷分離電界が局所的に発生する。それによって非磁化イオンも間接的に小型磁場の影響を受け、結果としてメソスケールの磁気圏が形成されることを明らかにした。平成26年度は、この知見を基盤として、３次元モデルシミュレーションを実施した。２次元シミュレーション同様に非対称のメソスケール磁気圏の形成、境界層電流の対流的構造などが新しくわかった。特に、これらの電流構造は主に電子の挙動によるものであることも確かめられ、そのメカニズムについても考察を行った。得られた新しい知見は国際学会において招待講演等で発表を行った。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Full Kinetic Simulations of Plasma Flow Interactions with Meso- and Micro-scale Magnetic Dipoles, (2014)
  • Author(s): Y. Ashida, H. Usui, I. Shinohara, M. Nakamura, I. Funaki, Y. Miyake and H. Yamakawa
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 21 Pages: 122903
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4904303
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of a Computational Framework for Block-Based AMR Simulations (2014)
  • Author(s): H. Usui, A. Nagara, M. Nunami, and M. Matsumoto
  • Journal Title: Procedia Computer Science Volume: 29C Pages: 2351-2359
  • DOI: http://dx.doi: 10.1016/j.procs.2014.05.219
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cross-comparison of spacecraft-environment interaction model predictions applied to Solar Probe Plus near perihelion (2014)
  • Author(s): R. Marchand, Y. Miyake, H. Usui, J. Deca, G. Lapenta, J. C. Mateo-Velez, R. E. Ergun, A. Sturner, V. Genot, A. Hilgers and S. Markidis,
  • Journal Title: Physics of Plasmas Volume: 21 Pages: 062901
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4882439
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Thrust Evaluation of Small-scale MagneticSail Spacecraft by Three-Dimensional Particle-in-Cell Simulation (2014)
  • Author(s): Ashida, Y., Yamakawa, H., Funaki, I., Usui, H., Kajimura, Y. and Kojima, H.
  • Journal Title: Journal of Propulsion and Power Volume: 30 Pages: 186-196
  • DOI: http://dx.doi: 10.2514/1.B35026
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Two-Dimensional Particle-in-Cell Simulation of Magnetic Sail, (2014)
  • Author(s): Ashida, Y., Funaki, I., Yamakawa, H., Usui, H., Kajimura, Y. and Kojima, H.
  • Journal Title: Journal of Propulsion and Power Volume: 30 Pages: 233-245
  • DOI: http://dx.doi: 10.2514/1.B34692
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 太陽風・小型磁気圏相互作用のシミュレーション研究のレビュー (2015)
  • Author(s): 臼井英之
  • Organizer: 平成26年度STE研究集会「太陽圏シンポジウム」および「太陽地球環境と宇宙線モジュレーション」
  • Place of Presentation: 名古屋大学（名古屋市、愛知）
  • Year and Date: 2015-03-04 – 2015-03-05
  • Invited
• [Presentation] PIC Simulation on Plasma Flow Response to a Meso-scale Magnetic Dipole in Space (2015)
  • Author(s): H.Usui, M. Umezawa, and Y. Miyake
  • Organizer: Scitech 2015
  • Place of Presentation: Orland（ USA）
  • Year and Date: 2015-01-05 – 2015-01-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 小型ダイポール磁場のプラズマ流応答に関する3次元粒子シミュレーション (2014)
  • Author(s): 臼井 英之、芦田康将、篠原育、中村雅夫、 梅澤美佐子、三宅洋平、西野真木
  • Organizer: 第11回宇宙環境シンポジウム
  • Place of Presentation: I-site なんば（大阪市、大阪）
  • Year and Date: 2014-12-11
• [Presentation] Three-dimensional AMR-PIC simulations on ion beam neutralization in ion engine (2014)
  • Author(s): Tsuchiya, K., H. Usui, T. Matsubara, M. Nunami and M. Matsumoto
  • Organizer: ITC-24 (Toki Conference)
  • Place of Presentation: セラトピア土岐（岐阜、土岐市）
  • Year and Date: 2014-11-04 – 2014-11-07
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Full kinetic simulations on plasma and field disturbancein the vicinity of spacecraft (2014)
  • Author(s): H. Usui
  • Organizer: the 24th International TOKI conference (ITC24)
  • Place of Presentation: セラトピア土岐（岐阜、土岐市）
  • Year and Date: 2014-11-04 – 2014-11-07
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 太陽風プラズマと月面磁気異常の相互作用に関する３次元全粒子シミュレーション (2014)
  • Author(s): 梅澤美佐子、臼井英之、三宅洋平、西野真木
  • Organizer: 地球電磁気・地球惑星圏学会 第135回総会及び講演会
  • Place of Presentation: キッセイ文化ホール(長野、松本市）
  • Year and Date: 2014-10-31 – 2014-11-03
• [Presentation] Full Kinetic Simulation on Plasma Flow Response to a Meso-scale Magnetic Dipole (2014)
  • Author(s): H. Usui
  • Organizer: URSI General Assembly
  • Place of Presentation: Beijing (China)
  • Year and Date: 2014-08-18 – 2014-08-23
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 計算機実験による宇宙機近傍のプラズマ電磁擾乱の研究 (2014)
  • Author(s): 臼井英之、三宅洋平
  • Organizer: JpGU
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川、横浜市）
  • Year and Date: 2014-04-28 – 2014-05-02
  • Invited
• [Presentation] 小型ダイポール磁場とプラズマ流の相互作用に関する３次元粒子シミュレーション (2014)
  • Author(s): 臼井 英之, 芦田 康将, 篠原 育, 中村雅夫，山川宏，三宅洋平
  • Organizer: JpGU
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川、横浜市）
  • Year and Date: 2014-04-28 – 2014-05-02