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太陽フレアが観測される宇宙プラズマや核融合反応炉を目指した磁場閉じ込めプラズマでは、希薄・高温であるゆえに電気抵抗よりも電子慣性やホール効果、有限ラーマー半径効果といった様々な微視的スケール階層の寄与が支配的となる。このような無衝突プラズマでは非常に速い磁気リコネクション(磁力線のつなぎ換え)が起こり、磁気エネルギーが運動エネルギーへと解放される過程はあたかも爆発的な崩壊のように観測される。本研究では、この現象が真に爆発的であるかどうかも含めて数値計算と非線形理論による検証を行い、爆発的崩壊が起きるための条件や基本的メカニズムを明らかにした。
まずは「電子慣性」と「電子温度(ホール効果)」の微視的効果だけに絞ったシンプルな二流体モデルを解析した。空間方向に高解像度の直接数値シミュレーションを行なうことにより、計算領域の1%以下のサイズの電子慣性長スケールで起こる磁気リコネクションが、非線形段階において爆発的に加速し、最終的には系全体の磁場エネルギーの大部分がプラズマの運動エネルギーへと変換されることを示した。特に、爆発的加速段階ではX型の境界層(電流層&渦層)が、リコネクション点の近傍で局所的に形成され、それが急速に拡大していく様子が見られた。次にこの数値計算結果に基づいて、爆発的成長速度のスケーリングを説明する非線形理論モデルを構築した。これは磁気エネルギーを最も効率的に解放するような変位を求めるという変分法のアイデアを用いており、厳密解を得る事が困難な非線形問題に対して有用な方法である。
さらに「有限ラーマー半径効果」や「圧縮性(遅い磁気音波)」なども考慮したジャイロ流体モデルや二流体モデルについても解析を進めた。前者は磁気リコネクションを加速させ、後者は減速させる付加的な効果があることを変分原理によって示した。
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