Study on the generation mechanism of micro-scale turbulence in Earth's magnetosphere based on high-resolution plasma measurements and innovative analysis methods

基于高分辨率等离子体测量和创新分析方法研究地球磁层微尺度湍流产生机制

• 批准号: 21K03504
• 负责人: 長谷川 洋
• 金额: $ 2.5万
• 依托单位: Japan Aerospace EXploration Agency
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K03504/
• 关键词: プラズマ乱流; 磁気リコネクション; 磁場消滅; 人工衛星直接観測; 磁気フラックスロープ; 無衝突プラズマ; ケルビン・ヘルムホルツ不安定; 電子電磁流体力学; 地球磁気圏; 編隊飛行衛星

プラズマ乱流は太陽風や実験室プラズマなどプラズマ宇宙に普遍的に存在する現象であり、プラズマの輸送や混合などに関わる重要な素過程であるが、その励起・発達機構はよくわかっていない。その理由の一つはプラズマ乱流が成長する現場の直接観測が容易でないことである。本研究では、太陽風と地球磁気圏の相互作用によってプラズマ乱流が励起される現場である磁気圏境界領域等における人工衛星直接詳細観測のデータを最先端の解析手法を用いて分析し、乱流の励起過程に関する知見を得ることを目的としている。2022年度は、Magnetospheric Multiscale（MMS）衛星によって観測された磁気圏尾部での磁気リコネクションイベントを解析し、磁気リコネクションが発生している電子慣性長スケールの薄い電流層の中で磁場の消滅が起こっていることを世界で初めて発見した。従来、磁気リコネクション過程における磁場エネルギーから電子エネルギーへの変換はX点と呼ばれる特異点でおこり、磁気リコネクション領域に注入される磁束の一部はX点の下流にリコネクションジェットと共に放出されると考えられていた。しかし今回発表した論文では、エネルギー変換領域がジェット方向に引き伸ばされ、X点から一次元的な伸びた電流層構造を持つようになった場合には、注入された磁場がすべて電流層中で消滅しうることを、理論的考察、人工衛星データ解析、シミュレーション計算の３つの方法すべてによって示した。また、磁気圏境界領域では磁気フラックスロープなどを伴う乱流的な磁場擾乱が観測されるが、その発生機構はよくわかっていない。2022年度に行ったMMS衛星を用いたデータ解析研究によって、磁気リコネクションが起こっている電子慣性長スケールの電流層から自発的に磁気フラックスロープが発生し、その成長とともに次第により大きな磁場擾乱構造になっていくことが明らかになった。

血浆湍流是一种普遍存在的现象，它在等离子体宇宙中，例如太阳风和实验室等离子体，并且是等离子体运输和混合的重要基本过程，但其激发和发育机制却尚未得到充分了解。原因之一是在等离子体湍流增长的地点的直接观察并不容易。这项研究旨在分析磁层边界区域中卫星领域详细观测值的数据，在这种情况下，使用尖端的分析方法太阳风与地球磁层之间的相互作用激发了血浆湍流，并洞悉湍流的激发过程。在2022年，我们分析了通过磁层多尺度（MMS）卫星观察到的磁尾磁尾磁尾磁盘，并在世界上首次发现磁场以磁性重新连接发生的电子惯性尺度上的薄电流层消失。人们认为，在磁重新连接过程中，磁场能将磁场能转化为电子能量，发生在称为X点的单个点，并且注入磁性重新连接区域的磁通量与x点下游的重新连接射流一起排放。但是，在我今天发表的论文中，所有三种方法都表明，如果能量转换区域沿射流方向拉伸，并且具有从点x上一维延伸的当前层结构，则所有植入的磁场都可以在当前层中使用理论考虑，卫星数据分析和模拟计算。此外，在磁层边界区域中观察到具有磁通绳等的湍流磁场干扰，但是尚不清楚其发生的机理。一项使用MMS卫星在2022年进行的数据分析研究表明，磁通绳自发地从磁重新连接的电子惯性尺度上的电流层产生磁通绳，并且随着它们的生长，它们逐渐变得越来越多地变成磁场干扰结构。

项目成果

Origin of positive and negative energy conversion rate j*E' in an electron-scale reconnecting current sheet at the magnetopause

磁层顶电子尺度重新连接电流片中正负能量转换率 j*E 的起源

• 发表时间: 2022
• 作者: Hasegawa;H.;R. E. Denton;K. Dokgo;K.-J. Hwang;T. K. M. Nakamura;and J. L. Burch
• 通讯作者: and J. L. Burch

Hasegawa, H., R. E. Denton, K.-J. Hwang, K. Dokgo, T. K. M. Nakamura, and J. L. Burch, Generation of ion-scale magnetic flux ropes from electron-scale magnetopause current sheet

长谷川，H.，R.E. 丹顿，K.-J。

• 发表时间: 2022
• 作者: Hasegawa;H.;R. E. Denton;K.-J. Hwang;K. Dokgo;T. K. M. Nakamura;and J. L. Burch
• 通讯作者: and J. L. Burch

MPI for Extraterrestrial Physics/Technische Universitaet Braunschweig(ドイツ)

MPI 地外物理/布伦瑞克工业大学（德国）

Ion‐Scale Magnetic Flux Rope Generated From Electron‐Scale Magnetopause Current Sheet: Magnetospheric Multiscale Observations

• DOI: 10.1029/2022ja031092
• 发表时间: 2023-03
• 期刊: Journal of Geophysical Research. Space Physics
• 作者: H. Hasegawa;R. Denton;K. Dokgo;K. Hwang;T. Nakamura;J. Burch

Vortex-induced reconnection at the Earth’s magnetopause

涡旋引起的地球磁层顶重联

• 发表时间: 2021
• 作者: Nakamura;T. K. M.;Hasegawa;H.;Stawarz;J. E.;Eriksson;S.;Li;W. Y.;and Blasl;K. A.
• 通讯作者: K. A.