Study on long-range effects of object-plasma interactions in space

本研究課題では、固体表面と宇宙プラズマの相互作用に起因する乱れが、如何に周囲に波及するか、という学術的な問いに、粒子モデル運動論プラズマシミュレーションを用いて取り組む。2022年度の実施内容を下記に示す。固体表面に流入するプラズマ電荷の平衡化過程である表面帯電現象が、月や小惑星などの小型固体天体表層の電気環境を支配している。従来は、固体天体表面を滑らかな平板と見なした1次元の静電シースモデルに基づき、当該電気環境が理解されてきた。実際には天体上の地形やレゴリス層の存在により、様々な空間スケールの凹凸が認められるはずであり、滑らかな平板を仮定した電気環境の描像が局所的に成り立つとは限らない。2022年度は天体上にも存在すると考えられる、深さを持った孔に対して太陽風プラズマが降り注ぐ状況を仮定した数値シミュレーションを実施した。その結果に基づき、孔底の帯電状態と周囲の静電場構造を検討した結果、従来の帯電現象では主要な電流項とはみなされてこなかったイオン電流が支配する新たな帯電機構を見出すことに成功した。これは孔底に対する電子とイオンの近接性の差から生じるものである。イオン流が電流の平衡化過程を支配するため、孔底の電位は太陽風イオンのバルク運動エネルギーに相当するkV程度に達する可能性がある。この結果より、従来から受け入れられている固体天体の表面電位は空間的に平均化された値であり、局所的な凹凸部分には平均値から正と負に大きくばらつきを持つ帯電状況が想起される。また、上述の数値シミュレーションでは、孔底に形成される電位障壁に起因する太陽風イオンの静電的反射／散乱の兆候も見られており、このような不規則な帯電が遠方の宇宙空間内の荷電粒子環境にも影響を及ぼす可能性を示唆している。

本研究課題では、固体表面と宇宙プラズマの相互作用に起因する乱れが、如何に周囲に波及するか、という学術的な問いに、粒子モデル運動論プラズマシミュレーションを用いて取り組む。2022年度の実施内容を下記に示す。固体表面に流入するプラズマ電荷の平衡化過程である表面帯電現象が、月や小惑星などの小型固体天体表層の電気環境を支配している。従来は、固体天体表面を滑らかな平板と見なした1次元の静電シースモデルに基づき、当該電気環境が理解されてきた。実際には天体上の地形やレゴリス層の存在により、様々な空間スケールの凹凸が認められるはずであり、滑らかな平板を仮定した電気環境の描像が局所的に成り立つとは限らない。2022年度は天体上にも存在すると考えられる、深さを持った孔に対して太陽風プラズマが降り注ぐ状況を仮定した数値シミュレーションを実施した。その結果に基づき、孔底の帯電状態と周囲の静電場構造を検討した結果、従来の帯電現象では主要な電流項とはみなされてこなかったイオン電流が支配する新たな帯電機構を見出すことに成功した。これは孔底に対する電子とイオンの近接性の差から生じるものである。イオン流が電流の平衡化過程を支配するため、孔底の電位は太陽風イオンのバルク運動エネルギーに相当するkV程度に達する可能性がある。この結果より、従来から受け入れられている固体天体の表面電位は空間的に平均化された値であり、局所的な凹凸部分には平均値から正と負に大きくばらつきを持つ帯電状況が想起される。また、上述の数値シミュレーションでは、孔底に形成される電位障壁に起因する太陽風イオンの静電的反射／散乱の兆候も見られており、このような不規則な帯電が遠方の宇宙空間内の荷電粒子環境にも影響を及ぼす可能性を示唆している。