磁気圏プラズマにおけるアルフベン波乱流と電子加速に関する研究

磁层等离子体阿尔文波湍流与电子加速研究

基本信息

批准号：
21K03502
负责人：
西村征也
金额：
$ 1.41万
依托单位：
National Institutes for Quantum Science and Technology (2022)Hosei University (2021)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

令和4年度の研究においては、磁気圏を双極子磁場によって近似した系へと対象を拡張した。これによって、より現実に近い条件においてアルフベン波乱流の特性と電子加速機構について調べることが可能となる。双極子磁場配位に対しては、運動論的アルフベン波の解析的な分散関係が導出できないため、ジャイロ流体モデルのクロージャを構築することができない。従って、ジャイロ運動論モデルを直接扱う必要がある。双極子磁場配位においては、磁力線に沿って磁場の大きさやプラズマパラメータが大きく変化するため、ジャイロ運動論モデルを適用する際には複数の克服するべき課題が存在する。まず、電離圏近傍と磁気赤道近傍では磁気モーメントに約百万倍の分解能の違いが存在するため、磁気圏全体の磁気モーメント空間を扱うことは数値計算上困難である。そこで、ジャイロ運動論モデルを磁気モーメント空間に対して予め積分し、ミラー力を近似的に扱うモデルを導入した。また、平行速度空間については、磁気圏全体で数十倍程度の分解能の違いが存在するが、不等間隔メッシュを導入することによって、比較的少ないメッシュ数で必要な分解能が得られることが明らかになった。さらに、磁力線に沿ってアルフベン速度が大きく変化するため、数値振動や数値不安定性が発生するが、初期摂動の分布や時空間の分解能を適切に選択することで、これを回避することができることが明らかになった。以上の方法論を組み合わせることにより、ジャイロ運動論モデルを用いた双極子磁場配位におけるフィードバック不安定性の安定性解析を行うシミュレーションコードの開発に成功した。

在 2020 年的研究中，我们扩大了研究范围，纳入了磁层近似为偶极磁场的系统。这使得在更接近现实的条件下研究阿尔文波湍流的特性和电子加速机制成为可能。对于偶极子磁场配置，无法构建陀螺流体模型的闭合，因为无法导出运动阿尔文波的解析色散关系。因此，有必要直接处理回旋运动模型。在偶极子磁场配置中，磁场的大小和等离子体参数沿磁场线变化很大，因此在应用回旋运动模型时需要克服几个挑战。首先，电离层附近的磁矩与磁赤道附近的磁矩分辨率存在约百万倍的差异，因此数值计算很难处理整个磁层的磁矩空间。因此，我们引入了一种通过预先将回旋运动模型集成到磁矩空间中来近似处理镜像力的模型。另外，对于平行速度空间，整个磁气层的分辨率存在数十倍的差异，但是很明显，通过引入不均匀间隔的网格，可以用相对较少的网格数量获得必要的分辨率。。此外，由于阿尔文速度沿磁场线的巨大变化，会出现数值振荡和数值不稳定，但通过适当选择初始扰动的分布和时空分辨率可以避免这种情况。通过结合上述方法，我们成功开发了使用回旋模型对偶极子磁场配置中反馈不稳定性进行稳定性分析的仿真代码。