研究課題
地球磁場が反転するメカニズムの解明を目的として、室内実験と数値シミュレーションの両者から、磁場および回転の影響下での熱対流の研究を実施した。室内実験での第一の成果として、水平磁場の影響下での液体金属の対流形態を、磁場と浮力とに関係した幅広いパラメータ領域で確立したことが挙げられる。これらの形態を数値シミュレーションで再現することにも成功し、流れ場が反転するメカニズムの鍵は水平循環の発生であることを見出した。水平磁場をかけたこの系では、磁場の方向に軸を持つロール構造という２次元性の強い状態から、方向性を示さないような乱流的な対流まで、磁場強度に対応して構造が段階的に遷移していくことが明らかとなった。そして固有直交分解（POD）によって流れ場を空間モード間の競合と捉えることが、対流構造とその時間変化の理解に有用であることを示した。外部から磁場をかけることは流れ場の方向性を規定する要因となり、その意味で回転の役割との対応関係がよく、外核のような回転球殻内での対流の考察に有用である。作業流体として水を用いた回転熱対流では、スキャニングPIVのシステムを構築し、準２次元的な渦構造を速度場から抽出することに成功した。また、内核の固化の過程に重要な役割を果たす固液共存系の振る舞いについても、複数の設定による幅広いパラメータ領域での実験を行った。これらの知見に基づき、地球シミュレータを用いて地球ダイナモのシミュレーションを実施し、そこに現れる流れ構造の理解を進めるとともに磁場の反転が起こりうるパラメータ領域の絞り込みをした。また、シミュレーションで得られた磁場の反転現象の前後について流れ場の詳細な解析を進めて、磁場の反転が起こる際には流れ場が大規模に変化することを実証した。一連の研究で本課題の目標である流れ場の変化と磁場の反転との対応関係を明らかにすることができた。
27年度が最終年度であるため、記入しない。
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Physical Review E
巻: 93 ページ: 043109
10.1103/PhysRevE.93.043109
巻: 93 ページ: 022901
10.1103/PhysRevE.93.022901
Journal of Computational Physics
巻: 305 ページ: 895-905
10.1016/j.jcp.2015.11.016
Journal of Visualization
巻: 19 ページ: 319-326
10.1007/s12650-015-0313-y
巻: 92 ページ: 023018
10.1103/PhysRevE.92.023018
in Schubert, G. (ed.) Treatise on Geophysics (second edition), Oxford: Elsevier Ltd.
巻: 8 ページ: 297-316
Journal of Geophysical Research: Planets
巻: 120 ページ: 1267-1278
10.1002/2015JE004793
Plasma and Fusion Research
巻: 10 ページ: 1201087
10.1585/pfr.10.1201087
巻: 18 ページ: 1-6
10.1007/s12650-015-0319-5
The Astrophysical Journal
巻: 806 ページ: 10
10.1088/0004-637X/806/1/10
プラズマ・核融合学会誌
巻: 91 ページ: 676-682
巻: 91 ページ: 597-602
