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

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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。