高速磁気リコネクションにおけるプラズモイド誘導乱流

藤本桂三
国立天文台理論研究部
In collaboration with Richard Sydora (Univ Alberta)

Multi-Scale Nature of Reconnection
1km

10km

103km

Topology

Dissipation Hall effectDee, e
Full PIC(Particle-In-Cell)

i, i

1011km

105km
∬L
MHD
(Magnetohydrodynamics)

Lc

Coulomb mean
free pathi ~ 1[NASA]2

Impact of Dissipation Mechanism
Ugai, PoP, 1995
MHD simulations
Uniform 

Localized 

Slow Reconnection

Fast Reconnection

リコネクション研究会2013@愛媛大3

Kuznetsova et al., J. Geophys. Res., 2007
Numerical
resistivity only

Nongyrotropic
correction case

 Slow reconnection
 Quasi-steadyconfiguration
 Fast reconnection
 Quasi-periodicprocess
リコネクション研究会2013@愛媛大

4Dissipation in 2D Kinetic Reconnection
ZeBxBzZYXEyPIC simulations
at x-line

X

Electron viscosity[Cai & Lee, 1997; Hesse et al., 1999]

Speiser [1965]

Inertia resistivity
FluidParticle[Fujimoto & Sydora, PoP, 2009]tr: Transit time throughリコネクション研究会2013@愛媛大the diffusion region5

Inertia Resistivity & Current Sheet WidthX-line

Inflow region⇒eZX

Very thin currentlayer!
リコネクション研究会2013@愛媛大6

Implication of Anomalous Effects:
Lab. Experiment
e >> c/pe[Ji et al., GRL, 2008]
リコネクション研究会2013@愛媛大7

Implication of Anomalous Effects:
Wave Activities[Zhou et al, JGR, 2009][Ji et al, PRL, 2004]

LH

LH
ci
リコネクション研究会2013@愛媛大8

Implication of Anomalous Effects
X-lineInflow region⇒eZX
リコネクション研究会2013@愛媛大9

Dynamical Current Sheet
2D PIC simulation

Thin current layer:[Fujimoto, PoP, 2006;
Daughton et al., PoP, 2006]

Elongation

Plasmoid formation
リコネクション研究会2013@愛媛大

10

Instabilities in the Harris Current Sheet
Tearing instability
Bx = -B0 tanh(z/)Jy = -J0 sech2(z/)ZX

Lower hybrid
drift instability(LHDI)ZKink-typeinstability

ZkyL ~ 1kyrLe ~ 1 ~ lh

リコネクション研究会2013@愛媛大YY11

Simulation Setup
AMR-PIC-3D code [Fujimoto, JCP, 2011]
on Fujitsu FX1 (1024 cores)
Bx = -B0 tanh(z/)Jy = -J0 sech2(z/)81 imi/me = 100
Max resolution:
4096×512×4096 ~ 1010
Max number of particles
Ion + Electron ~ 1011

10i ~ 1Re

81i ~ 10Re

Max memory used ~ 6TB

リコネクション研究会2013@愛媛大12

Time Evolution of the Current Sheet
Surface: |J|, Line: Field line
Color on the surface: Ey, Cut plane：Jy

リコネクション研究会2013@愛媛大

13

Wave Activity

リコネクション研究会2013@愛媛大

14

Wave-Particle Interactions
3D reconnection

2D reconnection

Anomalous effects
z

Bx= 0

Bx

リコネクション研究会2013@愛媛大Stream func. of Ve

15

Anomalous Transport at the X-line

リコネクション研究会2013@愛媛大16

Plasmoid-Induced Turbulence*t = 1.6 ci-1
LXO = 0.95 i*

LXO

リコネクション研究会2013@愛媛大Information
propagates at
Vp ~ VA*(B* = 0.5B0)
17

Plasmoid-Induced Turbulence
Plasmoid formation
Wave
amplification
Local turbulence
enhancement
Propagation along
the field line
Intensified turbulenceat the x-line
リコネクション研究会2013@愛媛大

18

Wave Properties = r + iSimulation resultsci < |r| < ＬＨ
Vph ≈ VAＬＨ

Linear analyses
Profiles taken fromsimulation
Electronci

Two-fluidTwo-fluid
equations
equations

リコネクション研究会2013@愛媛大

Ion

19

Wave Properties: Linear Analyseskk (m))1/41/4e(mi/m/miee=c/pe i > e(m))1/41/4e(mi/m/mie~~cici
ShearSheardriven
drivenrathermodethanmode ratherthan
thethedrift
driftmode
mode

Peak velocities are fixed.

The=1836.
Thewavewavesurvives
surviveseven
evenforform
mi/mi/mee=1836.

Dependence on theguide field (By)

リコネクション研究会2013@愛媛大20運動量の異常輸送 [Fujimoto & Sydora, in prep.]
電磁波動による電子運動量の異常輸送

シミュレーション

リコネクション研究会2013@愛媛大

線形理論

21

Summary[Fujimoto & Sydora, PRL, 2012]
大規模な3次元粒子シミュレーションを実施
して、高速磁気リコネクション時における磁気拡散機構を調べた。
プラズモイドによって誘発される電磁的乱流が磁気拡散過程において重要な役割を果たすことがわかった。
線形波動解析を実施することによって、乱流を引き起こす電磁波動の特性を調べた。

 ci < r < LH シアー駆動型不安定性
 mi/me=1836 でも大きな成長率
リコネクション研究会2013@愛媛大22