粒子シミュレーションを用いた宇宙プラズマ中に発生する大規模渦についての研究

空间等离子体大尺度涡旋的粒子模拟研究

• 批准号: 07J11844
• 负责人: 中村 琢磨
• 金额: $ 2.11万
• 依托单位: Japan Aerospace Exploration Agency
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2007
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2007 至 2009
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-07J11844/
• 关键词: ケルビン・ヘルムホルツ渦; 数値シミュレーション; 粒子シミュレーション; 磁気リコネクション; 速度勾配層; 電子加速; 非線形結合; 水星磁気圏; プラズマ混合; 2流体近似; PIC法; ケルビン・ヘルムホルツ; 磁気圏境界面; flux transfer event; Geotail

本年度は、主に粒子シミュレーションを用いたケルビン・ヘルムホルツ(KH)渦についての研究を、「KH渦を発生させる速度勾配層における粒子効果」と「発生したKH渦における粒子効果」という2つの視点で行った。地球や水星などの惑星磁気圏と高速な太陽風の接する磁気圏境界領域には速度勾配層が形成さることが知られているが、非粘性な宇宙プラズマ中で速度勾配層がどのような機構で存在しうるのかまだ分かっていない。特に、水素イオンのラーマー半径が勾配層の厚さと同程度だと予想される小スケールな水星磁気圏境界では速度勾配層の構造は水素イオンに大きく左右される可能性がある。そこで、まず速度勾配層における粒子効果を粒子シミュレーションによって調べた。その結果、粒子スケールの速度勾配層の構造は粒子のラーマー直径が厚みの下限値になることを発見した。さらに、このラーマー直径は速度勾配を形成する対流が生む対流電場に依存して変化することから、対流の方向がと粒子のラーマー運動の方向が一致する場合と逆向きになる場合で速度勾配層の下限値が変化することを発見した。つまり、水星のような粒子スケールの磁気圏境界では、朝側に発生するKH渦の方が夕側より大きく・ゆっくりと成長することになる。次に、速度勾配層より発生するKH渦の構造を粒子シミュレーションによって調べた。その結果、磁気エネルギーの解放によって粒子(主に質量の軽い電子)がどのように、またどの程度加速するのかを定量的に見積もることに成功した。この結果は、ESAの地球磁気圏観測衛星Clusterが地球磁気圏境界に発生するKH渦内部に発生する磁気リコネクションの兆候を捉えた際に見つかった高エネルギー電子群の持つエネルギーとおおむね一致している。

This year, the main particle system is used in the research of the (KH) vortex,"Particle effect of velocity matching layer for KH vortex generation" and "Particle effect of KH vortex generation". The Earth, Mercury, and other planets have a magnetic field with high speed and solar wind. The magnetic field has a velocity matching layer formed in the field of non-viscous universe. The velocity matching layer exists in the universe. In particular, the radius of the element is different from the thickness of the matching layer. The possibility of the structure of the matching layer is different from that of the mercury magnetic field. The velocity matching layer of the particle is adjusted by the particle system. As a result, the structure of the velocity matching layer of the particle diameter and the lower limit of the particle diameter are revealed. For example, if the flow direction is consistent with the direction of the particle movement, the velocity matching layer will be changed. The magnetic field boundary of Mercury particles is opposite and opposite, and KH vortices are generated in the opposite direction. Second, the velocity matching layer generated by the KH vortex structure particles in the process of modulation. As a result, the release of magnetic particles (main mass and electron) is successful. The results show that ESA's geomagnetic satellite Cluster is generated in the inner part of the KH vortex, and the magnetic field is generated in the inner part of the KH vortex.

项目成果

Magnetic reconnection with multiple X-lines in an open system : Two-fluid simulations including electron inertial effects

开放系统中多条 X 线的磁重联：包括电子惯性效应的双流体模拟

• 发表时间: 2008
• 作者: Chizuru Shikishima;Kai Hiraishi;Shinji Yamagata;Yutaro Sugimoto;Ryo Takemura;Koken Ozaki;Mitsuhiro Okada;Tatsushi Toda;Juko Ando;Mitsuhiro Okada;Mitsuhiro Okada;Iyuki Namekata;Naoko Iida-Tanaka;Iyuki Namekata;Naoko Iida-Tanaka;田中 光;行方 衣由紀;小川 亨;Iyuki Namekata;島田 英朗;伊藤喜重;伊藤 喜重;中村琢磨;中村琢磨(T. K. M. Nakamura);中村琢磨(T. K. M. Nakamura)
• 通讯作者: 中村琢磨(T. K. M. Nakamura)

Various patterns of Hall magnetic field in magnetic islands: Two-fluid and full particle simulations

磁岛霍尔磁场的各种模式：二流体和全粒子模拟

• 发表时间: 2007
• 作者: Chizuru Shikishima;Kai Hiraishi;Shinji Yamagata;Yutaro Sugimoto;Ryo Takemura;Koken Ozaki;Mitsuhiro Okada;Tatsushi Toda;Juko Ando;Mitsuhiro Okada;Mitsuhiro Okada;Iyuki Namekata;Naoko Iida-Tanaka;Iyuki Namekata;Naoko Iida-Tanaka;田中 光;行方 衣由紀;小川 亨;Iyuki Namekata;島田 英朗;伊藤喜重;伊藤 喜重;中村琢磨;中村琢磨(T. K. M. Nakamura);中村琢磨(T. K. M. Nakamura);中村琢磨(T. K. M. Nakamura);中村琢磨(T. K. M. Nakamura);中村 琢磨(T. K. M. Nakamura);毛利元昭;中村 琢磨(T. K. M. Nakamura)
• 通讯作者: 中村 琢磨(T. K. M. Nakamura)

High reconnection rate and associated strong electron acceleration with super Alfvenic shear flow : particle simulations

高重联率和与超阿尔芬剪切流相关的强电子加速：粒子模拟

• 发表时间: 2009
• 作者: Chizuru Shikishima;Kai Hiraishi;Shinji Yamagata;Yutaro Sugimoto;Ryo Takemura;Koken Ozaki;Mitsuhiro Okada;Tatsushi Toda;Juko Ando;Mitsuhiro Okada;Mitsuhiro Okada;Iyuki Namekata;Naoko Iida-Tanaka;Iyuki Namekata;Naoko Iida-Tanaka;田中 光;行方 衣由紀;小川 亨;Iyuki Namekata;島田 英朗;伊藤喜重;伊藤 喜重;中村琢磨
• 通讯作者: 中村琢磨

Non-linear coupling between magnetic reconnection & MHD-scale Kelvin-Helmholtz instability : 2D-PIC simulations

磁重联之间的非线性耦合

• 发表时间: 2008
• 作者: Chizuru Shikishima;Kai Hiraishi;Shinji Yamagata;Yutaro Sugimoto;Ryo Takemura;Koken Ozaki;Mitsuhiro Okada;Tatsushi Toda;Juko Ando;Mitsuhiro Okada;Mitsuhiro Okada;Iyuki Namekata;Naoko Iida-Tanaka;Iyuki Namekata;Naoko Iida-Tanaka;田中 光;行方 衣由紀;小川 亨;Iyuki Namekata;島田 英朗;伊藤喜重;伊藤 喜重;中村琢磨;中村琢磨(T. K. M. Nakamura)
• 通讯作者: 中村琢磨(T. K. M. Nakamura)

Structure of magnetospheric flux transfer events : Comparing Geotail observations and 2D two-fluid simulations

磁层通量传递事件的结构：比较 Geotail 观测结果和 2D 二流体模拟

• 发表时间: 2008
• 作者: Chizuru Shikishima;Kai Hiraishi;Shinji Yamagata;Yutaro Sugimoto;Ryo Takemura;Koken Ozaki;Mitsuhiro Okada;Tatsushi Toda;Juko Ando;Mitsuhiro Okada;Mitsuhiro Okada;Iyuki Namekata;Naoko Iida-Tanaka;Iyuki Namekata;Naoko Iida-Tanaka;田中 光;行方 衣由紀;小川 亨;Iyuki Namekata;島田 英朗;伊藤喜重;伊藤 喜重;中村琢磨;中村琢磨(T. K. M. Nakamura);中村琢磨(T. K. M. Nakamura);中村琢磨(T. K. M. Nakamura)
• 通讯作者: 中村琢磨(T. K. M. Nakamura)