磁気圏編隊観測を用いた三次元磁気リコネクションの研究

2017 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 15K05306
• 研究機関: 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
• 研究代表者: 長谷川 洋 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 助教 (50435799)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 磁気リコネクション / 衛星編隊観測 / 磁気圏界面 / ケルビン－ヘルムホルツ不安定

研究実績の概要

地球磁気圏の側面でケルビン－ヘルムホルツ不安定が成長した結果として発生する三次元的な磁気リコネクションが、太陽風プラズマの磁気圏侵入にどれだけ寄与するかを、NASAのMagnetospheric Multiscale（MMS）衛星による観測と三次元大規模粒子シミュレーションとの比較により明らかにした。電磁流体スケールの大規模ケルビン－ヘルムホルツ渦の発達に伴って発生する磁気リコネクションは、イオンスケールのプラズマジェットを生成し、これが乱流を自己励起し、二次的に発生する三次元磁気リコネクションがプラズマの効率的な混合を導くことを突き止めた。このプラズマ混合の効率は、太陽風磁場が北向きの時に磁気圏尾部で観測されるプラズマの量を十分に説明できるほど高いことを明らかにした。本研究成果を報告した論文は、Nature Communicationsに掲載された。
また、上記のケルビン－ヘルムホルツ渦中で観測された電磁場乱流の駆動機構について解析を行い、ケルビン－ヘルムホルツ不安定が成長する以前に、大規模磁気リコネクションに伴う乱流場が存在していること、ケルビン－ヘルムホルツ渦中で発生する三次元磁気リコネクションは乱流場をさらに増幅させることを明らかにした。さらに渦中の電磁場乱流は、荷電粒子の共鳴拡散輸送を引き起こしうる運動論的アルヴェン波などのプラズマ波ではなく、絡み合った磁力管構造に由来する擾乱であることを突き止めた。電磁場乱流は、プラズマの拡散輸送を引き起こすと考えられているが、渦中で観測される電磁場乱流はむしろプラズマ輸送の原因である渦中の磁気リコネクションの結果であることを解明した点が重要である。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究で実施した研究内容は以下のとおりである。１．磁気リコネクション過程のエンジン部分である電子拡散領域の二次元構造を人工衛星による直接観測から再現する手法の開発。２．電子拡散領域を再現するデータ解析手法のMagnetospheric Multiscale（MMS）衛星によって磁気圏界面で観測された非対称磁気リコネクション領域への適用。３．電子拡散領域を再現するデータ解析手法のMMS衛星によって磁気圏尾部で観測された対称磁気リコネクションへの適用。４．MMS衛星観測と大規模三次元シミュレーションの比較による、磁気圏側面でのケルビン－ヘルムホルツ不安定に伴う三次元磁気リコネクションが太陽風プラズマ輸送に果たす役割の解明。５．新しいデータ解析手法を用いたケルビン－ヘルムホルツ不安定渦中で観測される電磁場乱流の生成機構の解明。
１，２，４については、その研究成果が学術論文として掲載済みであり、研究はおおむね順調に進展していると判断している。３，５については今後、詰めのデータ解析を行い、論文にまとめる必要がある。平成30年度中は、主にこの作業に時間を費やす。
MMS衛星による磁場やプラズマ速度の編隊観測のデータから、三次元磁気リコネクションや三次元渦乱流における重要な構造である、磁場のヌル点やセパレータ、渦コアを同定する試みについては、進捗が遅れており、来年以降のさらなる研究が必要であると考えている。

今後の研究の推進方策

本研究課題で実施可能な研究内容の実質的な部分はほぼ終了した。今後は、MMSミッションが主催しているサイエンスチーム会議などに出席し、情報交換や成果発表を行いながら、研究成果を論文にまとめる作業を主に行う。またMMSミッションは、2018年夏には地球磁気圏尾部を観測する二回目のフェーズを迎える。そこで、磁気圏尾部で発生する磁気リコネクションや関連する現象の観測事例をサーベイし、今後の研究の種を探す。

次年度使用額が生じた理由

当初よりも研究の進捗がやや遅れ、研究成果を論文等にまとめる時間をとることができず、成果発表旅費として計上していた経費を平成29年度中に使用することができなくなったため、平成30年度中に成果発表旅費として使用することを計画している。研究の進捗が遅れた理由は、所属研究機関での業務や米国地球物理学連合の学術誌Journal of Geophysical Research Space Physicsの副エディターとしての仕事が想定以上に忙しかったからである。

研究成果

• [国際共同研究] Dartmouth College/Southwest Research Institute/NASA Goddard Space Flight Center(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Dartmouth College/Southwest Research Institute/NASA Goddard Space Flight Center
  • 他の機関数: 7
• [国際共同研究] Austrian Academy of Science(オーストリア)
  • 国名: オーストリア
  • 外国機関名: Austrian Academy of Science
• [国際共同研究] Uppsala University/Royal Institute of Technology(スウェーデン)
  • 国名: スウェーデン
  • 外国機関名: Uppsala University/Royal Institute of Technology
• [国際共同研究] IRAP, University of Toulouse/Plasma Physics Laboratory(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: IRAP, University of Toulouse/Plasma Physics Laboratory
• [雑誌論文] Determining L-M-N current sheet coordinates at the magnetopause from MMS data (2018)
  • 著者名/発表者名: Denton, R. E., B. U. O. Sonnerup, C. T. Russell, H. Hasegawa, R. J. Strangeway, B. L. Giles, R. E. Ergun, P.-A. Lindqvist, R. B. Torbert, J. L. Burch, and S. K. Vines
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research Space Physics 巻: 123 ページ: 2274-2295
  • DOI: 10.1002/2017JA024619
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Magnetic reconnection at a thin current sheet separating two interlaced flux tubes at the Earth's magnetopause (2018)
  • 著者名/発表者名: Kacem, I., C. Jacquey, V. Genot, B. Lavraud, Y. Vernisse, A. Marchaudon, O. Le Contel, H. Breullard, T.-D. Phan, H. Hasegawa, et al. (34 authors in total)
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research Space Physics 巻: 123 ページ: 1779-1793
  • DOI: 10.1002/2017JA024537
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Reconstruction of the electron diffusion region observed by the Magnetospheric Multiscale spacecraft: First results (2017)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa, H., B. U. O. Sonnerup, R. E. Denton, T.-D. Phan, T. K. M. Nakamura, B. L. Giles, D. J. Gershman, J. C. Dorelli, J. L. Burch, R. B. Torbert, C. T. Russell, R. J. Strangeway, P.-A. Lindqvist, Y. V. Khotyaintsev, R. E. Ergun, P. A. Cassak, N. Kitamura, and Y. Saito
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 44 ページ: 4566-4574
  • DOI: 10.1002/2017GL073163
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Turbulent mass transfer caused by vortex induced reconnection in collisionless magnetospheric plasmas (2017)
  • 著者名/発表者名: Nakamura T. K. M.、Hasegawa H.、Daughton W.、Eriksson S.、Li W. Y.、Nakamura R.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 8 ページ: 1582
  • DOI: 10.1038/s41467-017-01579-0
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mass and energy transfer across the Earth's magnetopause caused by vortex-induced reconnection (2017)
  • 著者名/発表者名: Nakamura, T. K. M., S. Eriksson, H. Hasegawa, S. Zenitani, W. Y. Li, K. J. Genestreti, R. Nakamura, and W. Daughton
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research Space Physics 巻: 122 ページ: 11505-11522
  • DOI: 10.1002/2017JA024346
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Electron dynamics surrounding the X-line in asymmetric magnetic reconnection (2017)
  • 著者名/発表者名: Zenitani, S., H. Hasegawa, and T. Nagai
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research Space Physics 巻: 122 ページ: 7396-7413
  • DOI: 10.1002/2017JA023969
  • 査読あり
• [学会発表] Generation of turbulence observed in magnetopause Kelvin-Helmholtz vortices: Revisiting Magnetospheric Multiscale observations on 8 September 2015 (2018)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa, H., T. K. M. Nakamura, D. J. Gershman, N. Kitamura, Y. Hoshi, Y. Saito, A. F.-Vinas, B. L. Giles, C. T. Russell, B. Lavraud, Y. V. Khotyaintsev, and R. E. Ergun
  • 学会等名: Fundamental Physical Processes in Solar-Terrestrial Research and Their Relevance to Planetary Physics 2018
  • 国際学会
• [学会発表] 磁気圏プラズマにおける渦内磁気リコネクションによる乱流輸送過程 (2018)
  • 著者名/発表者名: 105.中村 琢磨，長谷川 洋，W. Daughton，S. Eriksson，W. Y. Li，中村 るみ
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会
• [学会発表] Event study of vortex-induced reconnection at the magnetopause using MMS observations and fully kinetic simulations (2017)
  • 著者名/発表者名: Nakamura, T. K. M., H. Hasegawa, S. Eriksson, W. Li, W. Daughton, and R. Nakamura
  • 学会等名: EGU General Assembly 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Thin current sheet and plasma jet observed within a FTE by MMS (2017)
  • 著者名/発表者名: Kacem, I., C. Jacquey, V. Genot, et al. (10th author of a total of 39 authors)
  • 学会等名: EGU General Assembly 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Large-scale context of a magnetopause Kelvin-Helmholtz event observed by the MMS spacecraft on 8 September 2015 (2017)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa, H., T. K. M. Nakamura, N. Kitamura, B. L. Giles, C. T. Russell, Y. V. Khotyaintsev, R. E. Ergun, and Y. Saito
  • 学会等名: Toulouse Magnetic Reconnection Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Large-scale context of a magnetopause Kelvin-Helmholtz event observed by the MMS spacecraft on 8 September 2015 (2017)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa, H., T. K. M. Nakamura, N. Kitamura, B. L. Giles, C. T. Russell, Y. V. Khotyaintsev, R. E. Ergun, and Y. Saito
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Seasonal and solar wind control of the reconnection line location at the Earth’s dayside magnetopause (2017)
  • 著者名/発表者名: Hoshi, Y., H. Hasegawa, N. Kitamura, and Y. Saito
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Thin current sheet and plasma jet observed within a FTE by MMS (2017)
  • 著者名/発表者名: Kacem, I. M., V. Genot, C. Jacquey, et al. (10th author of a total of 40 authors)
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Currents and associated electron scattering and bouncing near the diffusion region at Earth’s magnetopause (2017)
  • 著者名/発表者名: Lavraud, B., Y. C. Zhang, Y. Vernisse, et al. (28th author of a total of 50 authors)
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Event study of vortex-induced reconnection at the magnetopause using MMS observations and fully kinetic simulations (2017)
  • 著者名/発表者名: Nakamura, T. K. M., H. Hasegawa, S. Eriksson, W. Li, W. Daughton, and R. Nakamura
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Asymmetry in mid-latitude reconnection site locations associated with the Kelvin-Helmholtz instability (2017)
  • 著者名/発表者名: Vernisse, Y., B. Lavraud, S. Eriksson, et al. (19th author of a total of 37 authors)
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Electron dynamics surrounding the X-line in magnetopause-type asymmetric reconnection (2017)
  • 著者名/発表者名: Zenitani, S., H. Hasegawa, and T. Nagai
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Waves and instabilities at the magnetopause and its boundary layers (2017)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa, H., D. J. Gershman, T. K. M. Nakamura, D. B. Graham, and Y. V. Khotyaintsev
  • 学会等名: AGU Chapman Conference on Dayside Magnetosphere Interactions
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Evolution and its consequence of the magnetopause Kelvin-Helmholtz instability: MMS event on 8 September 2015 revisited (2017)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa, H., T. K. M. Nakamura, N. Kitamura, D. J. Gershman, B. L. Giles, C. T. Russell, Y. V. Khotyaintsev, R. E. Ergun, M. Oka, and Y. Saito
  • 学会等名: AGU Chapman Conference on Dayside Magnetosphere Interactions
  • 国際学会
• [学会発表] Seasonal and solar wind control of the reconnection line location at the Earth’s dayside magnetopause (2017)
  • 著者名/発表者名: Hoshi, Y., H. Hasegawa, N. Kitamura, and Y. Saito
  • 学会等名: AGU Chapman Conference on Dayside Magnetosphere Interactions
  • 国際学会
• [学会発表] Event study of vortex-induced reconnection at the magnetopause using MMS observations and fully kinetic simulations (2017)
  • 著者名/発表者名: Nakamura, T. K. M., H. Hasegawa, S. Eriksson, W. Li, W. Daughton, and R. Nakamura
  • 学会等名: AOGS 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Generation of turbulence in magnetopause Kelvin-Helmholtz vortices: Revisiting the 2015-09-08 event (2017)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa, H., T. K. M. Nakamura, D. J. Gershman, N. Kitamura, Y. Hoshi, Y. Saito, A. F.-Vinas, B. L. Giles, C. T. Russell, B. Lavraud, Y. V. Khotyaintsev, and R. E. Ergun
  • 学会等名: MMS Science Working Team meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Magnetospheric Multiscale observations of flux transfer event signatures (2017)
  • 著者名/発表者名: Lavraud, B., I. Kacem, C. J. Farrugia, et al. (23th author out of a total of 41 authors)
  • 学会等名: AGU 2017 Fall Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Revisting a magnetopause Kelvin-Helmholtz event seen by the MMS spacecraft on 9 September 2015: Large-scale context and wave properties (2017)
  • 著者名/発表者名: Hasegawa, H., T. K. M. Nakamura, D. J. Gershman, N. Kitamura, Y. Hoshi, Y. Saito, A. F.-Vinas, B. L. Giles, C. T. Russell, B. Lavraud, Y. V. Khotyaintsev, and R. E. Ergun
  • 学会等名: AGU 2017 Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Reconnection properties in Kelvin-Helmholtz instabilities (2017)
  • 著者名/発表者名: Vernisse, Y., B. Lavraud, S. Eriksson, D. J. Gershman, J. Dorelli, C. J. Pollock, B. L. Giles, N. Aunai, L. A. Avanov, J. Burch, M. O. Chandler, V. N. Coffey, J. Dargent, R. Ergun, C. J. Farrugia, V. N. Genot, D. Graham, H. Hasegawa, et al. (18th of a total of 36 authors)
  • 学会等名: AGU 2017 Fall Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Electron dynamics surrounding the X-line in asymmetric magnetic reconnection (2017)
  • 著者名/発表者名: Zenitani, S., H. Hasegawa, and T. Nagai
  • 学会等名: AGU 2017 Fall Meeting
  • 国際学会
• [備考] 宇宙の竜巻、太陽風プラズマを磁気圏へ導く
  • URL: http://www.isas.jaxa.jp/topics/001193.html