2021 Fiscal Year Research-status Report
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20K03894
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
渡辺 正和 九州大学, 理学研究院, 准教授 (70446607)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
蔡 東生 筑波大学, システム情報系, 准教授 (70202075)
田中 高史 九州大学, 国際宇宙天気科学・教育センター, 博士研究員 (70346766)
藤田 茂 統計数理研究所, モデリング研究系, 特任教授 (70500693)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 磁場トポロジー / 磁気流体シミュレーション / 地球磁気圏 / 磁気リコネクション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
筑波大学が中心になり、前年度につまずいていた、等高面法（level-set method）を用いて零点からΣ面（零点から広がる2次元多様体［特異磁気面］）を追跡するソフトウェアの開発に注力した。実行中に現れる予期せぬエラーに対処しながら、バグをつぶしていった結果、満足できるΣ面追跡が得られるようになった。このΣ面追跡のソフトウェア開発は工学的にも非常に重要なので、IEE Transactions on visualization and computer graphics誌に投稿した。まだ掲載受理に至ってないが、査読者3名の意見は好意的であった。
改良されたソフトウェアを用い、本題である交換型リコネクションの解析を進めた。大域構造を決める零点は南北半球にそれぞれ1個ずつあるが、今回は北半球の零点近傍の解析を行った。南半球から出たΣ面は、昼間側を周ってくるΣ面と夜側を周ってくるΣ面が、北半球の零点から出る2本のγ線（零点から広がる1次元多様体［特異磁力線］）上でぴったり重なることを確認した。こうして得られた北半球の零点近傍のΣ面上で、(1)磁力線、(2)沿磁力線電場、(3)Σ面を通過するプラズマの流れを可視化した。交換型リコネクションでは、X line（沿磁力線電場が存在し、磁力線がつなぎ換わるところ）はΣ面上でセパレータ（南北から出る2のΣ面の交線）に直交する向きに現れた。リコネクション前後の磁力線は、このX lineに接する形で零点へ収束する。この形状は、電流がないポテンシャル磁場の場合にはセパレータに接しながら零点に収束するのと対照的である。そして、Σ面の両側にある2つの磁力線がリコネクション時にX lineを介して入れ替わること、これが交換型リコネクションであると判明した。このような磁力線トポロジーは「fanリコネクション」（Priest & Titov, 1996）の一部分と解釈できる。この結果は年度末の研究会等で発表したが、まだ論文にはなっていない。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
Σ面追跡のソフトウェアがほぼ完成したことで、一挙に研究が進んだ。可視化が進み、本課題の「交換型リコネクションのトポロジー」もほぼ解明できたと思う。当初の計画では、交換型リコネクションを表現する数学モデル（速度場の解析的表現など）を構築することを予定していたが、これはすでにある。すなわち、交換型リコネクションはPriest & Titov (1996)が提唱した「fanリコネクション」の亜種であることが判明したので、彼らが用いた解析表現がそのまま使える。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度は、交換型リコネクションのトポロジーに関する新知見を論文化することに注力する。可視化に関してわずかだが問題が残っているので、それを解決しながら論文を仕上げる。それと同時に、Σ面追跡を応用した新たな展開がいくつか考えられる。一例を挙げると、シータオーロラを形成するリコネクションの同定がある。地球磁気圏では、惑星間空間磁場北向き時に朝夕成分が反転すると、シータオーロラと呼ばれる特異なオーロラが出現する。それは特異な磁気圏構造（磁場トポロジー）を反映していると考えられている。惑星間空間磁場が反転する場合、大域的磁場トポロジーは零点4個で構成されると予想される。これをΣ面追跡で調べてみる。また、これは新しい研究課題と考えるべきだが、零点解析の経験を将来的には零線解析へ発展させたい。ただし、零線は零点近傍のテーラー展開で2次以上の項を含めないと出てこないので問題が格段に難しくなる。
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| Causes of Carryover |
代表者・分担者ともに次年度に繰越した直接経費の大部分は旅費である。学会・研究会がオンライン開催されることが多くなったことによる。この傾向が次年度も続けば、物品費やソフトウェア購入費に充てる予定である。
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Research Products
(9 results)
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[Journal Article] Development of the substorm as a manifestation of convection transient2021
Author(s)
Tanaka, T., Ebihara, Y., Watanabe, M., Den, M., Fujita, S., Kikuchi, T., Hashimoto, K. K., & Kataoka, R.
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Journal Title
Journal of Geophysical Research: Space Physics
Volume: 126
Pages: e2020JA028942
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Roles of the M-I coupling and plasma sheet dissipation on the growth-phase thinning and subsequent transition to the onset2021
Author(s)
Tanaka, T., Ebihara, Y., Watanabe, M., Den, M., Fujita, S., Kikuchi, T., Hashimoto, K. K., Nishitani, N., & Kataoka, R.
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Journal Title
Journal of Geophysical Research: Space Physics
Volume: 126
Pages: e2021JA029925
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Topology and geometry of interchange-type reconnection in the terrestrial magnetosphere2021
Author(s)
Watanabe, M., Asano, T., Cai, D., Xiong, P., Fujita, S., and Tanaka, T.
Organizer
Japan Geoscience Union Meeting 2021
Int'l Joint Research
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