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

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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。