交換型磁気リコネクションの磁場トポロジー

• Project/Area Number: 20K03894
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 14010:Fundamental plasma-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 渡辺 正和 九州大学, 理学研究院, 准教授 (70446607)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 蔡 東生 筑波大学, システム情報系, 准教授 (70202075) ; 田中 高史 九州大学, 国際宇宙惑星環境研究センター, 博士研究員 (70346766) ; 藤田 茂 統計数理研究所, モデリング研究系, 特任教授 (70500693)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: 磁場トポロジー / 磁気流体シミュレーション / 地球磁気圏 / 磁気リコネクション / 磁気流体

Outline of Research at the Start

磁力線のつなぎ換えを磁気リコネクションと呼ぶ。交換型リコネクションとは、磁力線が属するトポロジー（磁場位相）領域がリコネクション前後で入れ替わるものを言う。トポロジーを不変に保つ交換型リコネクションが存在し得るかどうか明らかにすることが本研究の目的である。現実的なセパラトリクス（トポロジー領域の境界面）形状を知るため、まず地球磁気圏を模擬する磁気流体コードを用いて定常解を作る。続いてセパラトリクスを追跡する新手法を導入してトポロジーを解析する。最後に現実的セパラトリクス形状のもとで磁力線の「運動」を初等関数で与える数学モデルを構築する。

Outline of Annual Research Achievements

前年度に引き続き、シミュレーションで得られた地球磁気圏の詳細な解析・可視化を進めた。その結果、課題名の「交換型リコネクションのトポロジー」をほぼ明らかにすることができた。トポロジー解析の根底には、筑波大学で開発された、等高面法（level-set method）を用いた磁気面追跡プログラムがある。この解析プログラムは、まず総当たり法で零点（磁場が0になるところ）を含むグリッドセルを探索し、零点が存在する可能性があるセルに対してNewton法を適用して零点を求める。ただしここで求められる零点は、テーラー展開の1次項（磁場勾配テンソル）で表される磁場構造のみが対象である。続いて、各零点に対して磁場勾配テンソルの固有値・固有ベクトルを求め、同符号固有値の固有ベクトルが張る磁気面を追跡する。この磁気面がセパラトリクス（磁力線トポロジーの境界）になっている。リコネクションが起こっていると予想されるセパラトリクス上で、沿磁力線電場とセパラトリクスを通過するプラズマの流れを求めることで、リコネクションの様態を示すことができた。交換型リコネクションでは、セパラトリクス上のセパレータ（2つの零点から出るセパラトリクスの交線）から離れた部分で、隣接する領域の磁力線が入れ替わる。この入れ替わり直前・直後の磁力線の形状をシミュレーションデータで示すことができた。3次元のリコネクションは、一般に言われているような反平行磁力線の繋ぎ変えではなく、平行磁力線の入れ替わりである。
本課題を進める間に、将来さらなる展開があることに気付いた。現時点では、トポロジーを決定する零点は１次近似を仮定している。準定常な磁気圏ではこれでよい。しかし時間変化がある場合、例えば惑星間空間磁場が急激に向きを変える場合、遷移過程で現れる零点は高次項を含めないと表現できないようである。高次零点を解析する手法の開発が次の段階と思われる。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

課題名の「交換型リコネクションのトポロジー」をほぼ明らかにできたという点では順調であるが、その成果を学会等で口頭発表はしているものの、論文の形にはまだ至っていないという点でやや遅れている。また、筑波大学で開発されたトポロジー解析のプログラムについて、その方法論が専門誌に投稿されたが、今回は掲載が見送られた。当然再挑戦を考えているが、これもやや遅れているとした理由である。

Strategy for Future Research Activity

幸いにも補助期間の延長が認められたので、延長期間において研究成果の論文化に全力をつくしたい。解析を少しやり直し、可視化を工夫して精緻な図を作り直す。また、論文投稿にはシミュレーションデータを恒久的なリポジトリに置いて公開することが義務付けられているので、その準備を進める。同時に、本研究課題の先を見据えたこと（高次零点の解析など）も考えていきたい。

Research Products

• [Journal Article] Interpretation of the theta aurora based on the null-separator structure (2022)
  • Author(s): Tanaka, T., Ebihara, Y., Watanabe, M., Fujita, S., Nishitani, N., & Kataoka, R.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 127 Issue: 8
  • DOI: 10.1029/2022ja030332
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Unified theory of the arc auroras: Formation mechanism of the arc auroras conforming general principles of convection and FAC generation (2022)
  • Author(s): Tanaka, T., Watanabe, M., Ebihara, Y., Fujita, S., Nishitani, N., & Kataoka, R.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 127 Issue: 9
  • DOI: 10.1029/2022ja030403
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Two current systems in the preliminary phase of sudden commencements in the magnetosphere (2022)
  • Author(s): Fujita, S., & Tanaka, T.
  • Journal Title: Earth, Planets and Space Volume: 74 Issue: 1
  • DOI: 10.1186/s40623-022-01624-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Global simulation of the Jovian magnetosphere: Transitional structure from the Io plasma disk to the plasma sheet (2021)
  • Author(s): Tanaka, T., Ebihara, Y., Watanabe, M., Fujita, S., & Kataoka, R.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 126 Issue: 6
  • DOI: 10.1029/2021ja029232
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of the substorm as a manifestation of convection transient (2021)
  • Author(s): Tanaka, T., Ebihara, Y., Watanabe, M., Den, M., Fujita, S., Kikuchi, T., Hashimoto, K. K., & Kataoka, R.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 126 Issue: 10
  • DOI: 10.1029/2020ja028942
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Roles of the M-I coupling and plasma sheet dissipation on the growth-phase thinning and subsequent transition to the onset (2021)
  • Author(s): Tanaka, T., Ebihara, Y., Watanabe, M., Den, M., Fujita, S., Kikuchi, T., Hashimoto, K. K., Nishitani, N., & Kataoka, R.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 126 Issue: 12
  • DOI: 10.1029/2021ja029925
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Formation and release of the Harang reversal relating with the substorm onset process (2021)
  • Author(s): Tanaka, T., Ebihara, Y., Watanabe, M., Den, M., Fujita, S., Kikuchi, T., Hashimoto, K. K. , and Kataoka, R.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Space Physics Volume: 126 Issue: 1
  • DOI: 10.1029/2020ja028170
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 磁気圏ダイナモと磁気圏磁場トポロジー (2020)
  • Author(s): 渡辺正和
  • Journal Title: オーロラ物理学シリーズ Volume: 4 Pages: 1-111
  • URL: http://id.nii.ac.jp/1291/00016231/
  • Open Access
• [Journal Article] 複合系磁気圏物理学 (2020)
  • Author(s): 田中高史
  • Journal Title: オーロラ物理学シリーズ Volume: 1 Pages: 1-149
  • URL: http://id.nii.ac.jp/1291/00016232/
  • Open Access
• [Presentation] Geometric and dynamic properties of interchange reconnection in the Earth's magnetosphere (2022)
  • Author(s): Masakazu Watanabe, Dongsheng Cai, Peikun Xiong, Shigeru Fujita, and Takashi Tanaka
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 極冠分岐の磁場トポロジー (2022)
  • Author(s): 渡辺正和, 蔡東生, 熊沛坤, 藤田茂, 田中高史
  • Organizer: 第152回地球電磁気・地球惑星圏学会
• [Presentation] Reinterpreting “polar cap bifurcation” reproduced by magnetohydrodynamic simulations (2022)
  • Author(s): Masakazu Watanabe, Dongsheng Cai, Peikun Xiong, Shigeru Fujita, Takashi Tanaka
  • Organizer: The 13th Symposium on Polar Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 逆転対流セルを生み出す交換型リコネクションのトポロジー (2022)
  • Author(s): 渡辺正和, 蔡東生, 熊沛坤, 藤田茂, 田中高史
  • Organizer: 2021年度極域・中緯度SuperDARN 研究集会
• [Presentation] 交換型リコネクションの磁場トポロジー (2022)
  • Author(s): 渡辺正和, 蔡東生, 熊沛坤, 藤田茂, 田中高史
  • Organizer: 2021年度RISH電波科学計算機実験シンポジウム
• [Presentation] Topology and geometry of interchange-type reconnection in the terrestrial magnetosphere (2021)
  • Author(s): Watanabe, M., Asano, T., Cai, D., Xiong, P., Fujita, S., and Tanaka, T.
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 磁気圏尾部“乗り換えリコネクション”の磁場トポロジー (2021)
  • Author(s): 渡辺正和, 田中高史, 藤田茂,蔡東生, 熊沛坤
  • Organizer: 第150回地球電磁気・地球惑星圏学会
• [Presentation] A possible origin of the “polar cap bifurcation” during northward interplanetary magnetic field periods (2021)
  • Author(s): Watanabe, M., Cai, D., Xiong, P., Fujita, S., and Tanaka, T.
  • Organizer: The 12th Symposium on Polar Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 地球磁気圏における交換型リコネクション (2021)
  • Author(s): 渡辺正和，浅野智哉，蔡東生，熊沛坤，藤田茂，田中高史
  • Organizer: 2020年度KDKシンポジウム
• [Presentation] Ionospheric plasma sheet isolation during northward interplanetary magnetic field periods reproduced by numerical magnetohydrodynamic modeling (2020)
  • Author(s): Watanabe, M., T. Tanaka, and S. Fujita
  • Organizer: Japan Geoscience Union Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 電離圏でのプラズマシート孤立化を引き起こす磁気圏尾部「乗り換え」リコネクション (2020)
  • Author(s): 渡辺正和, 田中高史, 藤田茂
  • Organizer: 第148回地球電磁気・地球惑星圏学会
• [Presentation] Visualizing field-aligned electric fields associated with interchange-type reconnection (2020)
  • Author(s): Watanabe, M. , T. Asano, D. Cai, P. Xiong, S. Fujita, and T. Tanaka
  • Organizer: The 11th Symposium on Polar Science
  • Int'l Joint Research