連結階層シミュレーションによる磁気リコネクション現象の解明

2008 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 18340188
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: プラズマ科学
• 研究機関: 核融合科学研究所
• 研究代表者: 堀内 利得 核融合科学研究所, シミュレーション科学研究部, 教授 (00229220)
• 研究分担者: 田 光江 核融合科学研究所, シミュレーション科学研究部, 教授 ; 大谷 寛明 核融合科学研究所, シミュレーション科学研究部, 准教授 ; 宇佐見 俊介 核融合科学研究所, シミュレーション科学研究部, 助教授
• 研究期間 (年度): 2006 – 2008
• キーワード: 宇宙 / 天体プラズマ

研究概要

本研究課題では、「連結階層シミュレーション」モデルと呼ばれるミクロ階層の物理とマクロ階層の物理をつなぐ数値シミュレーションモデルを開発することにより、階層横断現象である磁気リコネクションの解明を目指した研究を実施し、以下の研究成果を上げた。
無衝突プラズマ中で磁気リコネクションを誘発するミクロ階層における異常電気抵抗の発生機構として、磁気中性線近傍の有限振幅を持ったストカスティックな粒子運動(メアンダリング運動)に起因するもの、および磁気中性線での非等方なイオン速度分布の形成に伴うプラズマ不安定性に起因するものの2種類の物理機構が存在することを明らかにした。また、駆動源が存在する場合、非常に大きな面内静電場が発生し、この静電力とローレンツ力が釣り合った新しい平衡状態へ移行することも明らかにした。
地球磁気圏プラズマを対象としたマクロ階層の物理の解析として、太陽風リアルタイムデータを上流境界に用い磁気流体シミュレーションにより、現実に発生している太陽風による磁気圏の動的なレスポンス(夜側におけるプラズモイドの発生等)の定性的な再現に成功した。さらに、地球磁気圏サブストーム現象の電気抵抗モデル依存性を調査し、定量的な解析には物理的根拠のある異常抵抗モデルの導入が必要であることを明らかにし、さらにミクロ階層でのプラズマ不安定性による異常電気抵抗の結果を、磁気流体方程式の中に取り込むためのモデル検討を行った。
領域分割法を用いてミクロ階層とマクロ階層を同時にかつ無同着に解くことのできる連結階層シミュレーションモデルを考案した。プロットタイプの連結階層モデルを実装したシミュレーションプログラムを開発し、アルベン波の1次元伝播およびプラズマフロー流入現象に適応し、開発した数値アルゴリズムの適応限界・精度等の検証を行い、今後改良すべき問題点等を明らかにした。
没入型3次元バーチャルリアリティ(VR)装置CompleXcopeで電磁粒子シミュレーションの結果を表示するソフトウェアを開発し、磁気リコネクションのシミュレーション結果をVR空間で解析した。その結果、イオンのメアンダリング運動と加熱機構の間の強い相関を明確に示すことができた。

研究成果

• [雑誌論文] Formation of non-Maxwellian distribution and its role in collisionless driven reconnection (2008)
  • 著者名/発表者名: R. Horiuchi and H. Ohtani
  • 雑誌名: Comm. Comp. Phys. Vol. 4
• [雑誌論文] Formation of Sweet-Parker-like electron dissipation region in a driven open system (2008)
  • 著者名/発表者名: Bin Li, R. Horiuchi, and H. Ohtani
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research Vol. 3 ページ: S1054
  • 査読あり
• [雑誌論文] Roles of ion and electron dynamics in the onset of magnetic reconnection due to current sheet instabilities (2008)
  • 著者名/発表者名: T. Moritaka and R. Horiuchi
  • 雑誌名: Physics of Plasmas Vol. 15 ページ: 092114
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electron Force Balance in Steady Collisionless Driven Reconnection (2008)
  • 著者名/発表者名: Bin Li and R. Horiuchi
  • 雑誌名: Physical Review Letters vol. 101 ページ: 215001-1-215001-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Scientific Visualization of Magnetic Reconnection Simulation Data by CAVE Virtual (2008)
  • 著者名/発表者名: H. Ohtani and R. Horiuchi
  • 雑誌名: Plasma and Fusion Research Vol. 3 ページ: 54
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of Electromagnetic Particle Simulation Code in an Open System (2008)
  • 著者名/発表者名: H. Ohtani, S. Ishiguro, R. Horiuchi, Y. Hayashi and N. Horiuchi
  • 雑誌名: Lecture Notes in Computer Science Vol.4759 ページ: 329-343
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of Multi-hierarchy Simulation Model for Studies of Magnetic Reconnection (2008)
  • 著者名/発表者名: S. Usami, H. Ohtani, R. Horiuchi, and M. Den
  • 雑誌名: Communications in Computational Physics Vol. 4 ページ: 537-544
  • 査読あり
• [雑誌論文] Anomalous resistivity due to kink modes in a thin current sheet (2007)
  • 著者名/発表者名: T. Moritaka, R. Horiuchi, and H. Ohtani
  • 雑誌名: Physics of Plasmas Vol. 14, No.10 ページ: 102109-1-102109-10
  • 査読あり
• [雑誌論文] Towards cross-hierarchy simulation of collisionless driven reconnection in an open system (2006)
  • 著者名/発表者名: R. Horiuchi, H. Ohtani, and A. Ishizawa
  • 雑誌名: J. Plasma Phys. Vol. 72, No.6 ページ: 953-956
  • 査読あり
• [雑誌論文] Plasma instabilities and anomalous resistivity in the current sheet (2006)
  • 著者名/発表者名: T. Moritaka, R. Horiuchi, H. Ohtani, and A. Ishizawa
  • 雑誌名: J. Plasma Phys. Vol. 72, No.6 ページ: 961-964
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dominant roles of pressure tensors in collisionless magnetic reconnection without guide field (2006)
  • 著者名/発表者名: A. Ishizawa and R. Horiuchi
  • 雑誌名: J. Plasma Phys. Vol. 72, No.6 ページ: 787-790
  • 査読あり
• [雑誌論文] A glassless stereoscopic visualization system for a 3D MHD real-time Earth's magnetosphere simulator (2006)
  • 著者名/発表者名: M. Den, T. Kuwabara, T. Ogawa, T. Tanaka, I. Goncharenko, and H. Amo
  • 雑誌名: Journal of Plasma Physics Vol. 72, ページ: 837-840
  • 査読あり
• [雑誌論文] Real-time Earth magnetosphere simulator with three-dimensional magnetohydrodynamic code (2006)
  • 著者名/発表者名: M. Den, T. Tanaka, S. Fujita, T.Obara, H. Shimazu, H. Amo, Y. Hayashi, E. Nakano, Y. Seo, K. Suehiro, H. Takahara, T. Takei
  • 雑誌名: Space Weather Vol. 4 ページ: S06004-1-S06004-10
  • 査読あり
• [雑誌論文] A 3D Visualization System for Real-Time Space Weather Simulator with a Glassless Stereoscope (2006)
  • 著者名/発表者名: M. Den, T. Kuwabara, T. Ogawa, T. Tanaka, I. Goncharenko, and H. Amo
  • 雑誌名: Journal of the National Institute of Information and Communications Technology Vol. 53 ページ: 151-157
  • 査読あり
• [雑誌論文] Simulation of Interplanetary Shock Wave Caused by CME on August 25, 2001 (2006)
  • 著者名/発表者名: T. Ogawa, M. Den, T. Tanaka, and K. Yamashita
  • 雑誌名: Advances in Geosciences No. 2 ページ: 65-71
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dependence of the cutoff latitude of solar energetic protons on the sourhward component of the IMF (2006)
  • 著者名/発表者名: H. Shimazu, T. Tanaka, M. Den, and T. Obara
  • 雑誌名: Advances in Space Research Vol. 38 ページ: 503-506
  • 査読あり
• [雑誌論文] Three Dimensional Particle Simulation on Structure Formation and Plasma Instabilities in Collisionless Driven Reconnection (2006)
  • 著者名/発表者名: H. Ohtani, R. Horiuchi, A. Ishizawa
  • 雑誌名: Journal of Plasma Physics Vol.72 ページ: 929-933
  • 査読あり
• [雑誌論文] Theory and simulations of relativistic particle motions in a magnetosonic shock wave (2006)
  • 著者名/発表者名: S. Usami and Y.Ohsawa
  • 雑誌名: Journal of Plasma Physics Vol. 72 ページ: 887-890
  • 査読あり
• [学会発表] Toward multi-scale simulation of magnetic reconnection in space plasma (2008)
  • 著者名/発表者名: M. Den, R. Horiuchi, T. Tanaka, H. Ohtani, S. Usami, T. Moritaka
  • 学会等名: 37th COSPAR Scientific Assembly
  • 発表場所: Montreal, Canada
  • 年月日: 20080713-20
• [学会発表] 理論シミュレーションが解く磁気リコネクションの最新物理 (2008)
  • 著者名/発表者名: 堀内利得
  • 学会等名: 第7回核融合エネルギー連合講演会
  • 発表場所: 青森市
  • 年月日: 2008-06-20
• [学会発表] Multi-Hierarchy Simulation Model of Magnetic Reconnection in Collisionless Plasmas (2007)
  • 著者名/発表者名: R. Horiuchi, S. Usami, H. Ohtani, and M. Den
  • 学会等名: 8th Asia Pacific Plasma Theory Conference
  • 発表場所: Gandhinagar, India
  • 年月日: 20071211-13
• [学会発表] Formation of non-Maxwellian distribution and its role in collisionless driven reconnection (2007)
  • 著者名/発表者名: R. Horiuchi, and H. Ohtani
  • 学会等名: 20th International Conference on Numerical Simulation of Plasmas
  • 発表場所: Austin, USA
  • 年月日: 20071010-12
• [学会発表] Development of Multi-scale Simulation Model for Magnetic Reconnection Studies (2007)
  • 著者名/発表者名: S. Usami, H. Ohtani, R. Horiuchi, and M. Den
  • 学会等名: 20th International Conference on Numerical Simulation of Plasmas
  • 発表場所: Austin, USA
  • 年月日: 20071010-12
• [学会発表] Fast electron inflow channel into electron dissipation region in collisionless driven reconnection (2007)
  • 著者名/発表者名: R. Horiuchi, and H. Ohtani
  • 学会等名: US-Japan workshop on Numerical Simulation of Complex Plasmas
  • 発表場所: 20071010-12
  • 年月日: 20071010-12
• [学会発表] Multi-scale simulation of reconnection phenomena in space plasma (2007)
  • 著者名/発表者名: M. Den, R. Horiuchi, T. Tanaka, H. Ohtani, S. Usami, T. Moritaka
  • 学会等名: US-Japan Reconnection Workshop
  • 発表場所: MD, USA
  • 年月日: 20070000
• [学会発表] Improved Boundary Model for Particle Simulation of Collisionless Driven Reconnection (2006)
  • 著者名/発表者名: H.Ohtani,R.Horiuchi
  • 学会等名: The 48th AnnualMeeting of the Division of Plasma Physics
  • 発表場所: American Physical Society, Philadelphia, PA, USA
  • 年月日: 20060000
• [図書] 立体視テクノロジー次世代立体表示技術の最前線ー 裸眼立体視による宇宙天気シミュレータの可視化技術 (551-557) (2008)
  • 著者名/発表者名: 田光江、桑原匠史、小川智也、田中高史、亘慎一、イゴール・ゴンチャレンコ、天羽宏嘉
  • 総ページ数: 551-557
  • 出版者: (株)エヌ・ティー・エス
• [図書] 人間環境論集 (第8巻) (地上に太陽を-核融合研究の現状と将来-) (PP.37-51) (2008)
  • 著者名/発表者名: 堀内利得
  • 総ページ数: 37-51
  • 出版者: 法政大学人間環境学会
• [備考]
  • URL: http://www.dss.nifs.ac.jp/hori