部分電離プラズマにおける磁気リコネクションと観測可能性
京都大学
附属天文台
中村 尚樹

活動的な太陽大気

彩層アネモネジェット(Shibata et al. 2007)

半暗部ジェット(Katsukawa et al. 2007)

太陽下層大気(光球、彩層)は活動性に満ちている<= 磁気リコネクション？

太陽大気(光球+彩層 VAL3c)
𝑛𝑛𝑒𝑒
𝑛𝑛𝐻𝐻

太陽下層大気は重力成層している (非常に広いパラメータレンジ)
太陽下層大気は部分電離プラズマリコネクションの特徴は？

古典的リコネクションモデル
Sweet-Parker リコネクション
もっとも古典的な定常リコネクションモデル
−1/2

リコネクションレート ∝ 𝑅𝑅𝑚𝑚=> 遅い
Petschek リコネクション
slow shockによりエネルギー解放リコネクションレート ∝ (ln 𝑅𝑅𝑚𝑚 )−1=> タイムスケールはいいが拡散領域を局所化させる機構は？(Hall 効果?)

プラズモイド型磁気リコネクション
Sweet-Parker 型の電流シートは磁気レイノルズ数がある臨界値(𝑅𝑅𝑚𝑚 ~104 )を超えると不安定になる=>プラズモイド不安定=>早い(ほぼ磁気レイノルズ数に依存しない)エネルギー解放

Samtaney et al.2009

プラズモイド型リコネクションは実現するか？
太陽彩層(中部)パラメータにおける磁気レイノルズ数(𝑇𝑇~104 𝐾𝐾, 𝑛𝑛~1013 𝑐𝑐𝑐𝑐−3 , 𝐵𝐵~100𝐺𝐺, 𝐿𝐿~107 𝑐𝑐𝑐𝑐)=>𝑅𝑅𝑚𝑚 ~106 => 電流シートの厚み ~ 104 𝑐𝑐𝑐𝑐

グローバルスケールの電流シート(𝐿𝐿~107 𝑐𝑐𝑐𝑐)をSweet-Parker リコネクションの電流シート(~ 104 cm) まで薄くする機構=>Ambipolar diffusion (部分電離プラズマ効果)

部分電離プラズマにおけるMHD
完全電離プラズマにはない部分電離プラズマによるMHD効果

Ambipolar diffusion
中性粒子が存在することにより生じる磁場の拡散
電離・再結合中性粒子と荷電粒子が入れ替わる

Ambipolar MHD による電流シートの時間発展
Brandenburg& Zweibel (1994)

Ambipolar diffusion が効くとHarris 電流シートは非常に薄くなる
定常状態では電流密度 𝐽𝐽 ∝ 𝑧𝑧 −2/3

電離・再結合の影響
Vishniac & Lazarian (1997)
電離・再結合のタイムスケールが(アルフベンタイムに対して)十分小さ
いとき、電離・再結合過程がリコネクションを速める
Sweet-Parker current sheet

拡散領域

Leake et al. 2012

電離・再結合の影響
Vishniac & Lazarian (1997)
電離・再結合のタイムスケールが(アルフベンタイムに対して)十分小さ
いとき、電離・再結合過程がリコネクションを速める
電離再結合 current sheet

再結合

拡散領域でプラズマが再結合=> 中性流体として逃げていく
Leake et al. 2012

シミュレーション設定
プラズマ・中性 二流体シミュレーション
温度分布

低温領域
白線：磁力線
一様抵抗
𝑅𝑅𝑚𝑚 = 104
初期に電離平衡
Saha-Boltzman
𝑛𝑛𝑛𝑛
𝑛𝑛𝑛𝑛 + 𝑛𝑛𝑝𝑝
nn : neutral
densitynp : plasmadensity

𝜉𝜉𝑛𝑛 ≡

Neutral fraction電流シートの時間発展

一様抵抗

𝑛𝑛𝑛𝑛
𝑛𝑛𝑛𝑛 + 𝑛𝑛𝑝𝑝
nn : neutral
densitynp : plasma
density𝜉𝜉𝑛𝑛 ≡

電流シートの時間発展

𝑛𝑛𝑛𝑛
𝑛𝑛𝑛𝑛 + 𝑛𝑛𝑝𝑝
nn : neutral
densitynp : plasma
density𝜉𝜉𝑛𝑛 ≡

プラズモイド形成時のドリフト

橙矢印:プラズマ速度
青矢印:中性粒子速度
プラズモイド形成領域で中性粒子が逃げる

プラズモイド融合と放出形成されたプラズモイドは合体

𝑛𝑛𝑛𝑛
𝑛𝑛𝑛𝑛 + 𝑛𝑛𝑝𝑝
nn : neutral
densitynp : plasma
density𝜉𝜉𝑛𝑛 ≡

プラズモイド融合と放出
大プラズモイド放出後さらに小さなプラズモイドができる

𝑛𝑛𝑛𝑛
𝑛𝑛𝑛𝑛 + 𝑛𝑛𝑝𝑝
nn : neutral
densitynp : plasma
density𝜉𝜉𝑛𝑛 ≡大プラズモイドとともに低電離プラズマも放出

リコネクションの観測可能性 -ドリフト中性流体とプラズマはローレンツ力が働くとドリフトする（Sweet-Parker リコネクションのinflow 領域)
直接中性流体とプラズマの速度差を測定可能か?
ドリフト速度𝐽𝐽×𝐵𝐵
𝑉𝑉𝐴𝐴2𝑣𝑣𝐷𝐷 =~(𝜈𝜈 : 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓.
𝑎𝑎𝑐𝑐 𝜌𝜌𝑛𝑛 𝜌𝜌𝑝𝑝 𝜈𝜈𝑛𝑛𝑛𝑛 𝜒𝜒𝑝𝑝Δ 𝑛𝑛𝑛𝑛

𝜒𝜒𝑝𝑝 : 電離度)

𝐵𝐵2
( 𝐽𝐽 × 𝐵𝐵~, Δは電流シートの厚み )8𝜋𝜋Δ
彩層上部, 𝜈𝜈𝑛𝑛𝑛𝑛 ~103 𝑠𝑠 −1 , 𝜒𝜒𝑝𝑝 ~0.1
𝑉𝑉𝐴𝐴 , ∆ = (5 × 106 𝑐𝑐𝑐𝑐/𝑠𝑠, 107 cm) =>2 × 104 𝑐𝑐𝑐𝑐/𝑠𝑠 (0.2km/s)
665= (5 × 10 𝑐𝑐𝑐𝑐/𝑠𝑠, 10 cm) =>2 × 10 𝑐𝑐𝑐𝑐/𝑠𝑠 (2 km/s)

リコネクションの観測可能性2-電離非平衡Dynamics time scale < IR –time の領域では電離度が熱平衡のものからずれる=>荷電粒子(CaII,MgII..)と中性粒子(H)を同じくらいの高さで観測すればリコネクションポイント(電流シート、プラズモイド)の電離度が周辺と違う？
再結合時間 水素(~ 10-100 s)
𝑡𝑡𝐴𝐴 ~0.1𝑡𝑡𝐼𝐼𝐼𝐼 とするなら必要な時間スケールは1-10s
空間スケールは10~100km (𝑉𝑉𝐴𝐴 = 10𝑘𝑘𝑘𝑘/𝑠𝑠)の場合

観測可能性3. 彩層磁場構造
Ambipolar diffusion はForce-Free 磁場中では働かない(ガイド磁場が大きいと働きずらい)

ガイド磁場なし

ガイド磁場あり彩層における3成分磁場(Solar-C) と活動性の関係を見ることでambipolar diffusion が効いているかわかる?

Arber et al. 2009

タイムスケール図
空間スケールに依存しない
𝑡𝑡𝐼𝐼𝐼𝐼 : 電離・再結合時間

𝑡𝑡𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 : 荷電・中性粒子衝突時間

アルフベンタイムと各特徴的時間が等しくなる
空間スケール
Val3c + 一様磁場

空間スケールに依存する
𝑡𝑡𝑐𝑐𝑐𝑐 ∝ 𝐿𝐿−1 :音速時間
𝑡𝑡𝐴𝐴 ∝ 𝐿𝐿−1 ∶アルフベン時間
𝑡𝑡𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 ∝ 𝐿𝐿−2 :拡散時間
𝑡𝑡𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 ∝ 𝐿𝐿−2 :ambipolar 拡散時間

空間スケールが変わると見えてくるものが変わる!

まとめ• 彩層は非常にパラメータレンジの大きくプラズマは部分電離プラズマである• 部分電離効果(ambipolar diffusion)により、電流シートはプラズモイド不安定性を起こしうる程度まで薄くなる• 彩層でのパラメータ(イオン-中性粒子ドリフト速度, 電離度, 3成分磁場など)を直接観測することで部分電離プラズマにおける磁気リコネクションの特徴をとらえられる可能性がある