交換型磁気リコネクションの磁場トポロジー

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前年度に引き続き、シミュレーションで得られた地球磁気圏の詳細な解析・可視化を進めた。その結果、課題名の「交換型リコネクションのトポロジー」をほぼ明らかにすることができた。トポロジー解析の根底には、筑波大学で開発された、等高面法（level-set method）を用いた磁気面追跡プログラムがある。この解析プログラムは、まず総当たり法で零点（磁場が0になるところ）を含むグリッドセルを探索し、零点が存在する可能性があるセルに対してNewton法を適用して零点を求める。ただしここで求められる零点は、テーラー展開の1次項（磁場勾配テンソル）で表される磁場構造のみが対象である。続いて、各零点に対して磁場勾配テンソルの固有値・固有ベクトルを求め、同符号固有値の固有ベクトルが張る磁気面を追跡する。この磁気面がセパラトリクス（磁力線トポロジーの境界）になっている。リコネクションが起こっていると予想されるセパラトリクス上で、沿磁力線電場とセパラトリクスを通過するプラズマの流れを求めることで、リコネクションの様態を示すことができた。交換型リコネクションでは、セパラトリクス上のセパレータ（2つの零点から出るセパラトリクスの交線）から離れた部分で、隣接する領域の磁力線が入れ替わる。この入れ替わり直前・直後の磁力線の形状をシミュレーションデータで示すことができた。3次元のリコネクションは、一般に言われているような反平行磁力線の繋ぎ変えではなく、平行磁力線の入れ替わりである。本課題を進める間に、将来さらなる展開があることに気付いた。現時点では、トポロジーを決定する零点は１次近似を仮定している。準定常な磁気圏ではこれでよい。しかし時間変化がある場合、例えば惑星間空間磁場が急激に向きを変える場合、遷移過程で現れる零点は高次項を含めないと表現できないようである。高次零点を解析する手法の開発が次の段階と思われる。