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

空间物体-等离子体相互作用的长程效应研究

• 批准号: 20K04041
• 负责人: 三宅 洋平
• 金额: $ 1.66万
• 依托单位: Kobe University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K04041/
• 关键词: 宇宙プラズマ; 境界領域プラズマ; 固体プラズマ相互作用; 小型天体; 表面帯電; 超高層物理学; 数値シミュレーション; 航跡構造; 月惑星プラズマ; 固体天体; プラズマ波動; 小型天体プラズマ

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。

该研究主题将解决一个学术问题，即使用粒子模型的等离子体模拟，固体表面和空间等离子体之间的相互作用与周围环境传播到周围环境的学术问题。下面显示了2022财政年度实施的详细信息。表面充电现象是平衡流入固体表面的血浆电荷的过程，它控制着小固体天体（例如月球和小行星）的电气环境。通常，基于一维静电鞘模型，已经理解了电气环境，其中固体表面被认为是光滑的板。实际上，由于天体上的地形和岩石层的存在，应观察到各种空间尺度的不平衡性，并且假设电气环境的图像（假设平滑的平板）在本地是正确的。在2022年，我们进行了一个数值模拟，该模拟假设太阳风等离子体落在深孔上的情况，这些孔被认为存在于天体上。根据结果​​，我们研究了孔底部的充电状态和周围的静电场结构，并成功地找到了以离子电流为主的新的充电机制，这在常规充电现象中并不是当前术语。这是由于电子和离子与孔底部的接近度的差异所致。由于离子电流控制当前的平衡过程，因此孔底部的电势可以达到KV的水平，这与太阳风离子的块状动能相对应。从这个结果中，已接受的固体天体的表面潜力在空间上得到平均，局部不均匀部分会回想起充电情况，这些情况与平均值相差很大，呈阳性和负面。此外，上述数值模拟还显示出由于孔底部形成的潜在屏障引起的太阳能离子的静电反射/散射迹象，这表明这种不规则的充电也可能影响遥远空间中带电的粒子环境。

项目成果

月面の凹凸に起因する非従来型帯電現象に関するプラズマ粒子シミュレーション

月球表面不规则引起的非常规充电现象的等离子体粒子模拟

• 发表时间: 2022
• 作者: 中園仁;三宅洋平
• 通讯作者: 三宅洋平

弱磁化宇宙プラズマ中の固体物体周辺の静電構造に関する粒子シミュレーション

弱磁化空间等离子体中固体周围静电结构的粒子模拟

• 发表时间: 2020
• 作者: 三宅洋平;W.J. Miloch;S.H. Kjus;H.L. Pecseli
• 通讯作者: H.L. Pecseli

Numerical Simulations on Solar-Wind-Driven Surface Charging within Deep Cavities on the Moon

月球深空腔内太阳风驱动表面充电的数值模拟

• 发表时间: 2022
• 作者: Jin Nakazono;Yohei Miyake
• 通讯作者: Yohei Miyake

粒子モデルプラズマ運動論シミュレーションの高効率計算技法

粒子模型等离子体动力学模拟的高效计算技术

• 发表时间: 2020
• 作者: Seki Daikichi;Otsuji Kenichi;Isobe Hiroaki;Del Zanna Giulio;Ishii Takako T.;Sakaue Takahito;Ichimoto Kiyoshi;Shibata Kazunari;三宅洋平
• 通讯作者: 三宅洋平

粒子シミュレーションによる微粒子後方プラズマウェイクの構造解析

使用粒子模拟对粒子后等离子体尾流进行结构分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 室賀健太;三宅洋平;臼井英之
• 通讯作者: 臼井英之