電離圏駆動MHD不安定性がもたらす新たな磁気圏ダイナミクス理論の構築

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本研究では、磁気圏・電離圏結合系におけるオーロラアークの成長を、系に固有の磁気流体力学的不安定性の非線型発展の観点から探求する。電離圏上の密度および沿磁力線電流構造として出現するアークの成長と、その非線型発展としての渦構造生成を統一的に説明することが本研究の目的である。そのための理論モデルとして、磁場閉じ込め核融合プラズマの解析に用いる簡略化磁気流体方程式を磁気圏プラズマの記述に適用するとともに、中性大気との摩擦効果を含む二流体方程式を高度積分して電離圏プラズマのモデルを設定する。こうして磁気圏・電離圏結合系モデルを構成し、3次元シミュレーションを行った。今年度の研究成果の概要を述べる。双極子磁場配位におけるアルヴェン速度の非一様性を考慮して、アルヴェン波固有モードの線型解析を行った。1-10Hz周波数帯の電離圏キャビティモードの不安定特性を詳細に押さえると共に、電離圏・磁気圏両キャビティに捕捉された"ハイブリッドアルヴェン共鳴"が励起されることを発見した。この成果をPhysics of Plasmasに発表した。次に、空間分解能を上げるため系を2次元に落とし、2場方程式を用いた非線型シミュレーションを行った。最大成長率をもったアルヴェン波固有モードを初期揺らぎとして成長させ、非一様媒質中での波の成長と非線型結合の性質を調べた。モデルを4場方程式に拡張し、アルヴェン波との結合によるスローモード成長の様子を捉えた。この成果を11th International Conference on Substorms等にて報告した。さらに、同様の設定で3次元シミュレーションを行い、アルヴェン波の非線型成長とそれに伴う渦構造の形成、初期アーク構造との相互作用について調べた。電離圏側で現れる微細構造が磁気圏側に瞬時に伝わり渦が成長する様子が捉えられた。この成果を地球電磁気・地球惑星圏学会秋期大会にて報告した。