開放系プラズマモデルによる静電孤立波の計算機実験

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 01J03821
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 梅田 隆行 京都大学, 情報学研究科, 特別研究員(DC1)
• キーワード: 静電孤立波 / 計算機実験 / 電子ビーム不安定性 / プラズマ物理 / 粒子コード / 開放境界

研究概要

本年度の研究によって得られた以下の成果を国内・国際会議および学会誌に論文発表をしたとともに、膨大なデータの保存のためにハードディスク等を購入した。
1.二次元及び、三次元電磁粒子コードにおいて、電流密度の計算を従来の方法より高速に行う計算アルゴリズムを開発し、コンピュータ科学雑誌に発表した。この手法を用いて、数値的熱雑音がより少なく計算効率の良い三次元電磁粒子コードを新たに開発した。
2.従来電磁界を無視した静電粒子コードを用いて行われていた電子ビーム不安定性の計算機実験を、世界に先駆けて電磁粒子モデルへ拡張した。背景磁場と二次元構造を持つ静電孤立波の磁場に垂直な電界を受けて電子がE×Bドリフトすることにより二次元静電孤立波の垂直方向の端において電流が生じ、二次元静電孤立波の周辺に電磁界が励起することを明らかにした。また、計算機実験結果がオーロラ領域で観測されている静電孤立波に伴った電磁界成分の特性とよく一致していることを示した。さらに、孤立した静電ポテンシャル内において形成された電流構造が電磁波の放射源となり得るという新しい物理過程について明らかにした。これは、従来の電子ビームや連続的な波動からの直接的な電磁放射とは全く異なる物理過程であり、宇宙プラズマ物理のみならず、実験室プラズマや天体プラズマへの適応が可能な新たな電磁放射過程である。この成果を、2件の国内会議、国際測地学・地球物理学連合会札幌大会及びアメリカ地球物理学連合秋大会において研究発表を行い、論文としてJGR誌に発表した。また、上記の最新の結果を含む静電孤立波の国内外の研究に関して、実験室及び宇宙空間におけるプラズマ実験に関する国際研究集会において招待講演を行った。

研究成果

• [文献書誌] Y.Omura., T.Umeda., H.Matsumoto: "Simulation of electron beam instabilities and nonlinear potential structures"Space Plasma Physics. 79-92 (2003)
• [文献書誌] Y.Omura., W.J.Heikkila, T.Umeda., K.Ninomiya, H.Matsumoto: "Particle simulation of plasma response to an applied electric field parallel to magnetic field lines"Journal of Geophysical Research. 108・A5. 2002JA009573 (2003)
• [文献書誌] T.Umeda., Y.Omura., T.Tominaga, H.Matsumoto: "A new charge conservation method in electromagnetic particle-in-cell simulations"Computer Physics Communications. 156・1. 73-85 (2003)
• [文献書誌] T.Umeda., Y.Omura., H.Matsumoto: "Two-dimensional particle simulation of electromagnetic field signature associated with electrostatic solitary waves"Journal of Geophysical Research. 109・A2. 2003JA010000 (2004)