プラズマにおける自己組織化のシミュレーション研究

1995 年度 研究成果報告書概要

• 研究課題/領域番号: 06044238
• 研究種目: 国際学術研究
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 共同研究
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 佐藤 哲也 核融合科学研究所, 理論・シミュレーション研究センター, センター長教授 (80025395)
• 研究分担者: WEISS N.O. ケンブリッジ大学, 応用数学科, 教授 ; BRACKBILL J.U. ロスアラモス国立研究所, 主任研究員 ; SINDONI E. ミラノ大学, 物理学科, 教授 ; TROYON F. ローザンヌプラズマ物理研究所, 所長 ; 米沢 富美子 慶應義塾大学, 理工学部, 教授 (10027344) ; KADOMTSEV B.B. ロシア科学センター, 核融合研究所, 所長教授 ; 三浦 英昭 核融合科学研究所,理論, シミュレーション研究センター, 助手 (40280599) ; 内田 豊 東京理科大学, 物理学科, 教授 (90012814) ; BHATTACHARJEE A. アイオア大学, 地球物理学科, 教授 ; GARDNER H.J. オーストラリア国立大学, 国家特別研究員 ; 藤原 進 核融合科学研究所,理論, シミュレーション研究センター, 助手 (30280598) ; 高丸 尚教 核融合科学研究所,理論, シミュレーション研究センター, 助手 (20241234) ; 渡辺 智彦 核融合科学研究所,理論, シミュレーション研究センター, 助手 (30260053) ; 陰山 聡 核融合科学研究所,理論, シミュレーション研究センター, 助手 (20260052) ; 藤堂 泰 核融合科学研究所,理論, シミュレーション研究センター, 助手 (00249971) ; 堀内 利得 核融合科学研究所,理論, シミュレーション研究センター, 助教授 (00229220) ; 渡邊 國彦 核融合科学研究所,理論, シミュレーション研究センター, 助教授 (40220876) ; 林 隆也 核融合科学研究所,理論, シミュレーション研究センター, 教授 (60156445) ; 木田 重雄 核融合科学研究所,理論, シミュレーション研究センター, 教授 (70093234) ; BAZDENKOV Sergey 核融合科学研究所,理論, シミュレーション研究センター, 教授 (90270488) ; KRAMER G. サンタフェ研究所, 研究主幹
• 研究期間 (年度): 1994 – 1995
• キーワード: 自己組織化 / 構造形成 / シミュレーション / プラズマ / 磁気流体スケール / 粒子スケール / 磁気リコネクション / トポロジー変化

研究概要

平成7年度は、延べ6名を米国、ヨーロッパ、オーストラリアに派遣し、1名を米国から核融合科学研究所に招聘することによって、これまでに明らかになった個々の磁気流体及び粒子スケールの自己組織化現象の調査・整理・比較検討を行い、内在する固有あるいは普遍的な物理機構の解明を目指して、理論解析及びシミュレーション共同研究を行った。平成7年度までに本研究計画の実施によって得られた主な研究成果を以下に列記する。
1)磁気流体ダイナモ機構解明のためのシミュレーションコードの開発に成功し、回転球殻中の流体のセル状構造発展を明らかにすると共に、この回転セルによる磁場増幅と電気抵抗による磁場拡散の競合現象を通して、大きな空間スケールを持つ強い双極子磁場構造が形成・維持されることを実証した。特に、運動エネルギーを磁場エネルギーに変換する過程を詳細に解明したこと、また、最終的な双極子磁場構造を創り出す際に、磁気リコネクショが重要な役割を果たすことを世界で初めて実証したことは特記に値する。
2)有限ベータを安定ヘリカル構造を解明するための新たな磁気流体シミュレーションコードの開発に成功し、興味深くかつ重要な自己組織化過程を実証することができた。すなわち、ヘリカルプラズマにおいて、ある温度以上になると圧力不安定性を起こして初期のプラズマ圧力配位を破壊してしまうような場合においても、いったん破壊された後、非線形相互作用を通して再び安定で秩序ある圧力配位を構成する場合があるという事実を明らかにした。この結果の重要性は、これまでの構造形成に関する研究によって得られた知見では、構造を形成する際には、「無秩序因子」とも呼ぶべき一種のエントロピーが主として熱の形で生産されるにもかかわらず、この場合、そもそも構造不安定性を引き起こしている原因及び結果自身が熱エネルギーとなっている点である。現在、圧力駆動型不安定性による構造変換を特徴づける「無秩序因子」が何であるのかを明かにするべく全力を上げている。
3)開放系静電粒子シミュレーションを行うことにより、イオン音波不安定性による小規模ダブルレイヤ構造の生成とその崩壊の繰り返しの後に、この過程で生み出された高速流成分による二流体不安定性によりスーパーダブルレイヤと呼ばれる大規模なポテンシャル構造が生成されることを明らかにした。この過程で、構造を創り出す際にエントロピーが急激に生産されること、従って、イオン及び電子のエントロピーを別々に導出する事によって、構造を直接作り上げるきっかけが何なのかを明らかにすることができること、更に、生産されたエントロピーを構造内にとどめておかないことが、構造の形成・維持に本質的であることを実証することができた。
4)太陽フレア等の現象に見られる、対流運動によってねじられ続ける磁力線のトポロジー変化とその際のエネルギー緩和現象についての磁気流体シミュレーションを行い、磁場構造の変化に間欠性と回帰性があることを実証した。また、磁力線のトポロジー変換を生み出す素過程、駆動型磁気リコネクションそのものにおいても、駆動の仕方によっては間欠性が発生することを示した。これらの成果も含めて、これまでの磁気流体における自己組織化に関する研究成果から、エネルギーの系への流入の仕方と自己組織化形態の関係を明らかにするとともに、磁気流体における自己組織化のシナリオをほぼ構築することに成功した。現在、この自己組織化のシナリオに基づいて新たなシミュレーションモデルを組み上げ、その正当性を検証しているところである。
5)無衝突プラズマ中における磁場構造形成に変化をもたらす磁気リコネクション機構として、粒子効果が重要な役割を果たすこと、特に、従来一部で唱えられていた電子の単純な粒子効果ではなく、メアンダリング運動と呼ばれるイオンと電子の2つの軌道効果が本質的であること、そのため、系の構造が二段階的に発展することを明らかにした。
上記以外にも、ダストプラズマと呼ばれる微粒子を含んだプラズマにおける構造形成や、溶液中の高分子の結晶化といった興味ある成果があげられつつあり、秩序構造形成の物理機構を一般化する上で大きく進展を遂げることができた。現在、自己組織化の普遍的概念の確立を目指して、更に様々な角度からシミュレーション研究を進めている。

研究成果

• [文献書誌] Tetsuya Sato: "Complexity in Plasma : from Self-Organization to Geodynamo" Physics of Plasmas. (印刷中). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Tomohiko Watanabe: "MHD Simulation of Coalescence Process of Spheromaks" J.Plasma Fusion Res.(印刷中). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] etsuya Sato: "Kinetic Self-Organization : Creation of Super Ion Acoustic Double Layer" Physics of Plasmas. 2. 3609-3613 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Shao-ping Zhu: "Non-Taylor Magnetohydrodynamic Self-Organization" Physical Review E. 51. 6047-6054 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 佐藤哲也: "プラズマからみた複雑性の科学" 日本物理学会誌. 50. 340-347 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Akira Kageyama: "Computer Simulation of a Magnetohydrodynamic Dynamo II" Physics of Plasmas. 2. 1421-1431 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Hiroshi Amo: "Intermittent Energy Bursts and Recurrent Topological Change of a Twisting magnetic Flux Tube" Physical Review E. 51. 3838-3841 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Amitava Bhattacharjee: "Theory of Pressure-induced Islands and Self-healing in Therr-dimecsional Toroidal Magneto-hydrodynamic Equilibria" Physics of Plasmas. 2. 883-888 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Kunihiko Watanabe: "Current Profile Flattening and Hot Core Shift due to Non-linear Development of Resistive Kink Mode" Nuclear Fusion. 35. 251-259 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Takaya Hayashi: "Evolution of Magnetic Islands in a Heliac" Physics of Plasmas. 2. 752-759 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Ramireddygari V.Reddy: "Impulsive Alfven Coupling between the Fully-ionized Plasma and Weakly-inoized Plasma" Journal of the Physical Society Japan. 64. 124-135 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Ritoku Horiuchi: "Particle Simulation Study of Driven Magnetic Reconnection in a Collisionless Plasma" Physics of Plasmas. 1. 3587-3597 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Tetsuya Sato et al.: "Complexity in Plasma : from Self-Organization to Geodynamo" Physics of Plasmas. (in print). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Tomohiko Watanabe et al.: "MHD Simulation of Coalescence Process of Spheromaks" Journal of Plasma Fusion Research. (in print). (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Tetsuya Sato et al.: "Kinetic Self-Organization : Creation of Super Ion Acoustic Double Layr" Physics of Plasmas. 2. 3609-3613 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Shao-ping Zhu et al.: "Non-Taylor Magnetohydrodynamic Self-Organization" Physical Review E. 51. 6047-6054 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Tetsuya Sato: "Science of Complexity in Plasmas" Butsuri Gakkai-shi (in Japanese). 50. 340-347 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Akira Kageyama et al.: "Computer Simulation of a Magnetohydrodynamic Dynamo II" Physics of Plasmas. 2. 1421-1431 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Hiroyoshi Amo et al.: "Intermittent Energy Bursts and Recurrent Topological Change of a Twisting Magnetic Flux Tube" Physical Review E. 51. 3838-3841 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Amitava Bhattacharjee et al.: "Theory of pressure-induced islands and self-healing in three-dimensional toroidal magnetohydrodynamic equilibria" Physics of Plasmas. 2. 883-888 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Kunihiko Watanabe et al.: "Current Profile Flattening and Hot Core Shift due to Non-Linear Development of Resistive Kink Mode" Nuclear Fusion. 35. 251-259 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Takaya Hayashi et al.: "Evolution of magnetic islands in a Heliac" Physics of Plasmas. 2. 752-759 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Ramireddygari V.Reddy et al.: "Impulsive Alfven Coupling between the Fully-Ionized Plasma and the Weakly-Ionized Plasma" Journal ot the Physical Society of Japan. 64. 124-135 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Ritoku Horiuchi et al.: "Particle Simulation Study of Driven Magnetic Reconnection in a Collisionless Plasma" Physics of Plasmas. 1. 3587-3597 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より