粒子シミュレーションを用いた宇宙プラズマ中に発生する大規模渦についての研究

空间等离子体大尺度涡旋的粒子模拟研究

• 批准号: 07J11844
• 负责人: 中村 琢磨
• 金额: $ 2.11万
• 依托单位: Japan Aerospace Exploration Agency
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2007
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2007 至 2009
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-07J11844/
• 关键词: ケルビン・ヘルムホルツ渦; 数値シミュレーション; 粒子シミュレーション; 磁気リコネクション; 速度勾配層; 電子加速; 非線形結合; 水星磁気圏; プラズマ混合; 2流体近似; PIC法; ケルビン・ヘルムホルツ; 磁気圏境界面; flux transfer event; Geotail

本年度は、主に粒子シミュレーションを用いたケルビン・ヘルムホルツ(KH)渦についての研究を、「KH渦を発生させる速度勾配層における粒子効果」と「発生したKH渦における粒子効果」という2つの視点で行った。地球や水星などの惑星磁気圏と高速な太陽風の接する磁気圏境界領域には速度勾配層が形成さることが知られているが、非粘性な宇宙プラズマ中で速度勾配層がどのような機構で存在しうるのかまだ分かっていない。特に、水素イオンのラーマー半径が勾配層の厚さと同程度だと予想される小スケールな水星磁気圏境界では速度勾配層の構造は水素イオンに大きく左右される可能性がある。そこで、まず速度勾配層における粒子効果を粒子シミュレーションによって調べた。その結果、粒子スケールの速度勾配層の構造は粒子のラーマー直径が厚みの下限値になることを発見した。さらに、このラーマー直径は速度勾配を形成する対流が生む対流電場に依存して変化することから、対流の方向がと粒子のラーマー運動の方向が一致する場合と逆向きになる場合で速度勾配層の下限値が変化することを発見した。つまり、水星のような粒子スケールの磁気圏境界では、朝側に発生するKH渦の方が夕側より大きく・ゆっくりと成長することになる。次に、速度勾配層より発生するKH渦の構造を粒子シミュレーションによって調べた。その結果、磁気エネルギーの解放によって粒子(主に質量の軽い電子)がどのように、またどの程度加速するのかを定量的に見積もることに成功した。この結果は、ESAの地球磁気圏観測衛星Clusterが地球磁気圏境界に発生するKH渦内部に発生する磁気リコネクションの兆候を捉えた際に見つかった高エネルギー電子群の持つエネルギーとおおむね一致している。

今年，我们从两个角度使用粒子模拟的开尔文 - 霍尔姆尔兹（KH）涡流进行了研究：“速度梯度层中产生KH涡流的粒子效应”和“生成的KH涡流中的粒子效应”。众所周知，速度梯度层是在磁层边界区域形成的，在磁层边界区域中，与地球和汞等行星磁层接触高速太阳风，但仍不知道在无关的空间等离子体中可能存在哪些机制。特别是，在氢离子氢离子的拉姆半径的小型汞磁层边界上，预计与梯度层的厚度大致相同，速度梯度层的结构可能会受到氢离子的极大影响。因此，首先通过粒子模拟检查速度梯度层中的粒子效应。结果，我们发现粒度速度梯度层结构具有颗粒larmer直径厚度的下限。此外，由于这种LARMER直径会根据形成速度梯度的对流产生的对流电场而变化，因此发现当对流方向和颗粒的Larmer运动方向时，速度梯度层的下限发生了变化。换句话说，在粒子尺度的磁层边界等汞等边界上，早晨侧发生的KH涡流比晚上更慢，更慢。接下来，通过粒子模拟研究了从速度梯度层产生的KH涡流的结构。结果，由于磁能的释放，我们成功地估算了颗粒（主要是轻质电子）如何以及在何种程度上加速的颗粒（主要是轻质电子）。该结果通常与当ESA的磁层观察卫星簇捕获在地球磁层边界上产生的KH涡流内产生的磁重接头的迹象时，发现高能电子基团的能量一致。

项目成果

Magnetic reconnection with multiple X-lines in an open system : Two-fluid simulations including electron inertial effects

开放系统中多条 X 线的磁重联：包括电子惯性效应的双流体模拟

• 发表时间: 2008
• 作者: Chizuru Shikishima;Kai Hiraishi;Shinji Yamagata;Yutaro Sugimoto;Ryo Takemura;Koken Ozaki;Mitsuhiro Okada;Tatsushi Toda;Juko Ando;Mitsuhiro Okada;Mitsuhiro Okada;Iyuki Namekata;Naoko Iida-Tanaka;Iyuki Namekata;Naoko Iida-Tanaka;田中 光;行方 衣由紀;小川 亨;Iyuki Namekata;島田 英朗;伊藤喜重;伊藤 喜重;中村琢磨;中村琢磨(T. K. M. Nakamura);中村琢磨(T. K. M. Nakamura)
• 通讯作者: 中村琢磨(T. K. M. Nakamura)

Various patterns of Hall magnetic field in magnetic islands: Two-fluid and full particle simulations

磁岛霍尔磁场的各种模式：二流体和全粒子模拟

• 发表时间: 2007
• 作者: Chizuru Shikishima;Kai Hiraishi;Shinji Yamagata;Yutaro Sugimoto;Ryo Takemura;Koken Ozaki;Mitsuhiro Okada;Tatsushi Toda;Juko Ando;Mitsuhiro Okada;Mitsuhiro Okada;Iyuki Namekata;Naoko Iida-Tanaka;Iyuki Namekata;Naoko Iida-Tanaka;田中 光;行方 衣由紀;小川 亨;Iyuki Namekata;島田 英朗;伊藤喜重;伊藤 喜重;中村琢磨;中村琢磨(T. K. M. Nakamura);中村琢磨(T. K. M. Nakamura);中村琢磨(T. K. M. Nakamura);中村琢磨(T. K. M. Nakamura);中村 琢磨(T. K. M. Nakamura);毛利元昭;中村 琢磨(T. K. M. Nakamura)
• 通讯作者: 中村 琢磨(T. K. M. Nakamura)

Non-linear coupling between magnetic reconnection & MHD-scale Kelvin-Helmholtz instability : 2D-PIC simulations

磁重联之间的非线性耦合

• 发表时间: 2008
• 作者: Chizuru Shikishima;Kai Hiraishi;Shinji Yamagata;Yutaro Sugimoto;Ryo Takemura;Koken Ozaki;Mitsuhiro Okada;Tatsushi Toda;Juko Ando;Mitsuhiro Okada;Mitsuhiro Okada;Iyuki Namekata;Naoko Iida-Tanaka;Iyuki Namekata;Naoko Iida-Tanaka;田中 光;行方 衣由紀;小川 亨;Iyuki Namekata;島田 英朗;伊藤喜重;伊藤 喜重;中村琢磨;中村琢磨(T. K. M. Nakamura)
• 通讯作者: 中村琢磨(T. K. M. Nakamura)

High reconnection rate and associated strong electron acceleration with super Alfvenic shear flow : particle simulations

高重联率和与超阿尔芬剪切流相关的强电子加速：粒子模拟

• 发表时间: 2009
• 作者: Chizuru Shikishima;Kai Hiraishi;Shinji Yamagata;Yutaro Sugimoto;Ryo Takemura;Koken Ozaki;Mitsuhiro Okada;Tatsushi Toda;Juko Ando;Mitsuhiro Okada;Mitsuhiro Okada;Iyuki Namekata;Naoko Iida-Tanaka;Iyuki Namekata;Naoko Iida-Tanaka;田中 光;行方 衣由紀;小川 亨;Iyuki Namekata;島田 英朗;伊藤喜重;伊藤 喜重;中村琢磨
• 通讯作者: 中村琢磨

粒子シミュレーションに見る宇宙空間に発生する大規模渦

粒子模拟中看到的空间中发生的大规模涡旋

• 发表时间: 2008
• 作者: Chizuru Shikishima;Kai Hiraishi;Shinji Yamagata;Yutaro Sugimoto;Ryo Takemura;Koken Ozaki;Mitsuhiro Okada;Tatsushi Toda;Juko Ando;Mitsuhiro Okada;Mitsuhiro Okada;Iyuki Namekata;Naoko Iida-Tanaka;Iyuki Namekata;Naoko Iida-Tanaka;田中 光;行方 衣由紀;小川 亨;Iyuki Namekata;島田 英朗;伊藤喜重;伊藤 喜重;中村琢磨;中村琢磨(T. K. M. Nakamura);中村琢磨(T. K. M. Nakamura);中村琢磨(T. K. M. Nakamura);中村琢磨(T. K. M. Nakamura)
• 通讯作者: 中村琢磨(T. K. M. Nakamura)