Investigation of coexistence states between magnetohydrodynamic turbulence and non-thermal particlesermal particles

Research Project

Project/Area Number	23K03353
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	University of Toyama
Principal Investigator	成行泰裕富山大学, 学術研究部教育学系, 准教授 (50510294)
Project Period (FY)	2023-04-01 – 2026-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000) Fiscal Year 2025: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000) Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000) Fiscal Year 2023: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Keywords	磁気流体乱流 / 太陽風 / 確率モデル / 乱流統計 / 非熱的粒子 / 無衝突プラズマ
Outline of Research at the Start	本研究では、近年急速に進んでいる内部太陽圏における人工衛星による「その場」観測結果と整合する磁気流体乱流の物理的描像およびそれと共存する非熱的な粒子の解明に取り組む。具体的には、磁気流体乱流の数値モデルを用いて乱流統計理論が予想する流体要素の統計的描像の妥当性を検証し、流体要素の運動を含む非熱的粒子分布を記述する粗視化モデルの推定を行う。
Outline of Annual Research Achievements	本研究課題では、ランダム位相近似等の仮定が成立しない内部太陽圏の磁気流体乱流の物理的描像およびそれと共存する非熱的粒子の解明に取り組む。本年度は、主に太陽風磁気流体乱流中の非局所相互作用について着目した理論解析を行い、以下の結果が得られた: (1)高クロスヘリシティー流の場合に着目し、太陽風プラズマ中のテーラー仮説の破れと関係付けて近年議論されている大スケール擾乱の効果(sweeping効果)と磁気流体乱流のラグランジュ的くり込み乱流統計理論[e.g., Nakayama(2001;2002)]の関係について確認した。 (2)フーリエ位相の時間変化を拡散過程として扱うことで、磁気流体乱流中の時間相関の統計モデル(指数関数、ガウス関数など)を包括的に再現する理論モデルを導出した。(1)のsweeping効果のランダム振動子モデルも、この理論モデルに包括されている。 (3)(2)のモデルを用いて、正負のElsasser変数それぞれの時間相関が近い関数形を持っている方が、太陽風磁気流体乱流中で観測される有限な残留エネルギーに対し整合することを示した(逆に、正負のElsasser変数の時間相関が異なる場合、磁場・プラズマのエネルギーがつり合い易い)。 (4)確率的波動成長理論[e.g.,Robinson,1995]のアプローチを用いて、フーリエ振幅の間欠的な揺らぎ(確率的な不定性)を含む理論モデルを導出した。ランダム振動子の形に変形した際に、このフーリエ振幅の揺らぎの項は局所相互作用を模擬していると考えられる。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 太陽風磁気流体乱流中には様々な局所構造が形成されており、ランダム位相近似が成立しないような状況が多く存在するが、本年度中にフーリエ位相について見通しの良い理論モデルが得られたことは大きな進展であった。時間相関は太陽風中の大域的な発展モデルを考える上でも重要な統計量であり、順調に進展しているといえる。
Strategy for Future Research Activity	次年度は、有限の位相相関を含む磁気流体乱流について、現象論・統計理論との整合性を理論的・数値的に確認する。並行して、本年度導出した理論モデルの一般化および既存の乱流モデルの拡張を検討する。また、非熱的なイオンの速度分布に磁気流体乱流成分が与える影響についても解析を進める。