プラズマにおける渦運動の渦糸記述の三次元モデル

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これまで磁場を横切るプラズマの輸送過程を担う渦運動として2次元的挙動のみに注目して来たが、渦の伸縮などの3次元効果を考慮すれば、縦波モードとの相互作用などが記述できて、より現実的な問題を取り扱えることになる。渦糸記述を3次元系に拡張し、その有効性を吟味することを目的に、以下の研究を行った。磁場方向に垂直に広がる2次元の渦シートを磁場方向に重ねて、シート間の相互作用を組み込んで3次元の離散力学系を構成する。Kono-Miyashita(Phys.Fluids.31(1988),326)で導かれた連続体に対する基礎方程式を、磁力線に垂直な方向に対しては渦糸を導入して離散化し、磁力線方向は連続体そのものを取り扱い、渦糸の伸縮や屈曲と併せて、音波の伝搬を記述するようにした。こうして得られた離散・連続のハイブリッドコードを用いて、磁力線方向の周期的境界条件のもとで、長い円筒状のプラズマについて計算機シミュレーションを行った。初期にランダムに置かれた渦は、相互作用によって、大きな渦に融合されていく、いわゆる逆カスケード現象を示し、併せて磁力線方向に揺動が伝搬していく様子が得られた。揺動の伝搬の速度からイオン音波であることが確かめられたが、安定系であるため、大きな振幅にまで成長することがなく、磁力線に垂直方向の渦運動に有為な影響がみられなかった。もともと、渦が励起されるようなシステムはドリフト波にたいして不安定な系であるが、渦糸の導入によってシステムの不安定性を取り除いてしまったことの結果で、モデルの不十分さを示している。とはいえ、磁力線方向の渦のねじれや伸縮等は記述されており、現実の系のプラズマの挙動の再現への一歩を踏み出したものといえる。今後は、不安定な系へ拡張することによって、自己組織化と乱流化過程の関わり方を調べることが大事である。