ケルビン・ヘルムホルツ不安定を介した太陽風エネルギーの磁気圏・電離圏への輸送過程

太阳风能通过开尔文-亥姆霍兹不稳定性向磁层和电离层传输过程

基本信息

批准号：
17740324
负责人：
松本洋介
金额：
$ 2.05万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、低緯度磁気圏境界面のモデル化を目的として3次元MHDコードの開発を行い、ケルビン・ヘルムホルツ(KH)不安定の3次元非線形発展について研究を行った。前年度までに我々はCIP法をベースとしたMHD-CIPコードを新たに開発しており、本コードをもとに数値計算を行った。その結果、KH渦の3次元構造は不安定であり、背景磁場方向への新たなモードを励起することが明らかになった。本研究ではこれを(3次元性による)2次的不安定と呼ぶ。それを理論的に理解するため、渦を1次元軸対称モデル化し、その線形応答を調べることによって渦構造の安定性について解析を行った。その結果、その最大成長率は渦回転周期の1.5倍と速く、プラズマβに弱く依存することが明らかになった。また、最大成長率を持つモードの波長はβに強く依存し、低βでは長波長モードが卓越することがわかった。本解析で得られた結果はシミュレーション結果を良く説明することがわかった。以上の解析結果を用いて、低緯度磁気圏境界への適用を試みた。その結果、得られた成長時間スケールは1分程度、また、最大成長率モードの波長は10地球半径(=6380km)程度であることがわかり、充分磁気圏で起こりうることが明らかになった(Y.Matsumoto and K.Seki, J Geophys.Res, in press.)。さらに、3次元非線形発展を長時間追い解析した結果、低β条件下においてもKH渦は崩壊し、最終的に乱流的発展することが明らかになった。これは、2次的不安定性が非線形発展し磁場の横波成分がモードカスケードした結果であることが明らかになった。本結果は、安定化に働くと思われていた強磁場中での乱流発展の可能性を示唆しており、特に、アルフヴェン速度程度で回転している系では、遠心力を通じた横波と縦波のカップリングがモードカスケードに導くことを示唆した。

在本研究中，我们开发了用于模拟低纬度磁层界面的三维MHD代码，并研究了开尔文-亥姆霍兹（KH）不稳定性的三维非线性演化。直到前一年，我们在CIP方法的基础上开发了新的MHD-CIP代码，并基于这个代码进行了数值计算。结果表明，KH涡旋的三维结构不稳定，并在背景磁场方向上激发出新的模式。在本研究中，我们将此称为二次不稳定性（由于三维性）。为了从理论上理解这一点，我们将涡旋建模为一维轴对称模型，并通过检查其线性响应来分析涡旋结构的稳定性。结果发现，最大生长速率快至涡旋旋转周期的1.5倍，并且发现其对等离子体β的依赖性较弱。还发现，具有最大增长率的模式的波长强烈依赖于β，并且在低β时长波长模式占主导地位。发现该分析中获得的结果很好地解释了模拟结果。利用上述分析结果，我们尝试将其应用于低纬度磁层边界。结果发现，获得的生长时间尺度约为1分钟，最大生长速率模式的波长约为10个地球半径（=6380公里），表明它可以发生在磁层中（Y.Matsumoto）和 K.Seki，J Geophys.Res，正在出版。）。此外，对三维非线性演化的长期跟踪分析表明，KH涡旋即使在低β条件下也会崩溃，并最终以湍流方式发展。这被揭示是二阶不稳定性和磁场横波分量模式级联的非线性发展的结果。这一结果表明，在强磁场中可能会产生湍流，这被认为具有稳定作用。特别是，在以阿尔芬速度旋转的系统中，由于离心力，可能会出现横波和纵波。建议波耦合导致模式级联。