Magnetic Dissipation Mechanism Supporting
A Fast Reconnection

Keizo Fujimoto
総合解析・センター合同セミナー

on April 10, 2008

Introduction of myself
1997年4月‐2001年3月 気象大学校
藤田茂先生 “太陽風impulseに対する磁気圏構造の過渡的な変化”

2001年4月‐2006年3月 京都大学理学研究科
町田忍先生

運動論的2流体不安定性による電子加熱（修士）
磁気リコネクションの2次元大規模粒子シミュレーション（博士）2006年4月‐2008年3月 情報通信研究機構（学振PD）
小原隆博先生 磁気リコネクションの3次元大規模粒子シミュレーション

2006年6月‐2007年11月 アルバータ大学理学部 Richard Sydora先生
2008年1月‐2008年3月 名古屋大学STE研 荻野竜樹先生
2008年4月‐

名古屋大学STE研ジオスペース研究センター（学振PD）

荻野竜樹先生 磁気リコネクションの3次元大規模粒子シミュレーション

合同セミナー@STEL2

Contents
1. Introduction
2. EM-PIC model with adaptive mesh refinement
3. Large-scale evolution of reconnection in 2D
system
4. Large-scale evolution of reconnection in 3D
system
5. Summary

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1. Introduction
宇宙空間における磁気リコネクション[太陽フレア][地球磁気圏におけるサブストーム](http://vestige.lmsal.com/TRACE/)
合同セミナー@STEL(http://www2.
nict.go.jp/dk/c232/)
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1. Introduction
Non-MHD processes can affectMHD-scale dynamics.

(Cowley, 1985)

Ion and electron-scale processes
are coupling and determine theMHD-scale structure.

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5磁気リコネクションは起こすのも維持するのも難しい、、、
テアリング不安定性による励起
λ = 2 Re, τg ~ 2π(λ/VA)Rm3/5 = 5.6 months >> a few min(Substorm expansion phase)
小さな磁気島で飽和する。
ダイポール磁場（縦磁場）によって安定化する。

準定常リコネクション
E=ηJ
電気抵抗ηを生み出す物理メカニズムは？
電子の慣性抵抗だけで良いか？異常抵抗の可能性は？

Sweet-Parker or Petschek?
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1. Introduction
効率の良い磁気リコネクション（fast reconnection）とは、、、リコネクション効率（reconnection rate）∂Φrec/∂t = Erec ~ 0.1 VA0B0 (~ a few mV/m)(VA0: ローブにおけるアルヴェン速度、B0: ローブ磁場の強さ)¾ 地球磁気圏尾部において、10分間にローブにある厚さ１５Reの磁束がつなぎ変わる。
¾ 太陽フレアにおいて、50秒間で1018cm2×109cmの領域にある磁束の大部分がつなぎ変わる。

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1. Introduction
磁気リコネクションの準定常モデル¾ Hall mediated reconnection （GEMReconnection Challenge, 2001）
σ ~ λel < λi（σ, l: 電子磁気拡散領域の縦と横の長さ）

ErecHall term

ホール効果さえあれば効率の良いリコネクションが実現される。 [e.g., Birn

Due to periodic
boundaries

et al., 2001]
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8[Hesse et al., 2001]

1. Introduction

境界条件の影響で準定常的なリコネクションが実現できない。
境界条件が問題にならないほど大きな計算領域でシミュレーションすればよい。
計算機資源の制約からそう簡単にはできない。
既存のコードよりも計算効率の良いコードを作ればよい。
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2. EM-PIC model with adaptive mesh refinement

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2. EM-PIC model with adaptive mesh refinement
粒子コードにおける格子点間隔の制約：[Birdsall & Langdon, 1995]Magnetotail Lobe

ローブではプラズマシート
ほどグリッドを細かく切る必要はない
Central Plasma Sheet

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2. EM-PIC model with adaptive mesh refinement
Detourmi/me = 100,Maximum resolution: 1024×1024

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3. Large-scale evolution of reconnection in 2D system

計算コスト ∝ (mi/me)5/2
計算領域はGEM（2001）の11.5倍
最大解像度はGEM（2001）の128倍

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3. Large-scale evolution of reconnection in 2D system¾ Hall mediated reconnection （GEMReconnection Challenge, 2001）
σ ~ λel < λi~ a few sec

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3. Large-scale evolution of reconnection in 2D system

mi/me=1mi/me=100

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3. Large-scale evolution of reconnection in 2D system¾ ホール効果があっても準定常的なfast reconnectionは実現されない。
電子磁気拡散領域が伸長するため、電子の流れが阻害されリコネクションの効率は減衰する。
伸長を止めるためには新たな電気抵抗が必要。
¾ ホール効果がなくても準定常的なfast reconnectionが実現される
ときがある。
ホール効果がない場合（mi/me=1）でも効率的な準定常リコネクションが実現される。

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4. Large-scale evolution of reconnection in 3D system¾ 計算領域の設定
Bx = B0 tanh(z/λ)
Jy = J0 sech2(z/λ)

Lx×Ly×Lz= 30.7 λi×7.7 λi×30.7 λi
最大解像度：
Nx×Ny×Nz=1024×256×1024
mi/me = 25
超粒子の数：< 1.5×109

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4. Large-scale evolution of reconnection in 3D system¾ YZ平面における電流層の時間発展(a) tωci = 6(b) tωci = 14(c) tωci = 18ZY(a)(b) (c)Lower hybrid drift instability (LHDI)
Kink-type instability
Tearing instabilityに伴う誘導電場

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4. Large-scale evolution of reconnection in 3D system¾ リコネクション効率の時間変化
t = 18.0

Ne

Erec ~ 0.1

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4. Large-scale evolution of reconnection in 3D system(a) Without kink mode

Z'ZY'Y(b) With kink mode

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4. Large-scale evolution of reconnection in 3D system
Pyz<0

Pyz=0-zy方向の運動量輸送

Pxy<0-x

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Pyz>0+z

Pxy=0

Pxy>0+x21

4. Large-scale evolution of reconnection in 3D system[衝突による電気抵抗][慣性効果による等価電気抵抗]

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4. Large-scale evolution of reconnection in 3D system¾ 2次元YZ平面におけるシミュレーション¾ キンクモードには磁場を散逸する効果がある。
[e.g., Ozaki et al., 1996; Shinohara et al.,
2001; Morioka et al., 2007]

ZY

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4. Large-scale evolution of reconnection in 3D system¾ キンクモードによる磁気拡散メカニズムプラズマが電場によって得たエネルギーはキンクモードを介して熱エネルギーに変換される。

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4. Large-scale evolution of reconnection in 3D system

2Dシミュレーションで得られた値

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5. Summary
サブストームや太陽フレアにともなう爆発的なエネルギー変換を磁気リコネクションで説明するためには、Erec~0.1程度の効率の良いリコネクションが数分～数十分持続する必要がある。
電子慣性による等価電気抵抗を介した従来の磁気拡散モデルでは、効率の良いリコネクションを長時間持続させることは困難であるため、何らかの3次元的な効果が期待されていた。
今回、キンクモードによる異常電気抵抗が磁気リコネクションに必要な磁気拡散を与えその効率を維持することがわかった。（マクロな構造にあわせてミクロなプロセスが自動調節されてErec=0.1を維持しているのかもしれない。）
今後は、もう少し大きな計算領域で3Dシミュレーションを実施することによって、準定常リコネクションを実現させる。
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