無衝突磁気リコネクションにおける異常磁気散逸機構

藤本桂三
国立天文台理論研究部

発表内容
 Introduction
 Large-scale 3D PIC simulations(Instabilities, turbulence, and anomaloustransport at the x-line) Impact of plasmoid formations
 Summary

STEシミュレーション研究会＠名大2

Magnetic Reconnection in Space
Auroral Substorms[NASA]

Solar Flares
STEシミュレーション研究会＠名大3

Multi-Scale Nature of Reconnection
1km

10km

103km

Topology

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

i, i

1011km

105km
∬L
MHD
(Magnetohydrodynamics)

STEシミュレーション研究会＠名大Lc

Coulomb mean
free pathi ~ 1[NASA]
4

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

Nongyrotropic
correction case

グローバル過程を理解するた
めにミクロ過程を解明する必 Slow reconnection
要がある。
 Quasi-steadyconfiguration
 Fast reconnection
 Quasi-periodic
process

STEシミュレーション研究会＠名大5

Reconnection Rate and Resistivity ηVin

リコネクション効率2

zx2lVout

無衝突プラズマにおいて衝突効果を生む物理は？

磁気散逸領域の縦と横の長さに依存

マクロ過程へのインパクト？
3D、マルチスケール、非線形、Kinetic ⇒ 大規模運動論計算

Inertia resistivity limit
観測事実と不一致
異常磁気散逸の可能性

STEシミュレーション研究会＠名大6

Pioneering 3D PIC Simulations of MR
磁気リコネクションのトリガー機構としての異常散逸[Zhu & Winglee, 1996; Pritchett et al., 1996; Horiuchi & Sato, 1999]

Trigger!
zyLower hybrid drift Inst.
(LHDI)

Drift Kink Inst. (DKI)

STEシミュレーション研究会＠名大7

Quasi-Steady Process of MR （~ 2000年代前半）[Horiuchi & Sato, POP, 1999; Pritchett & Coroniti, EPS,
2001; Karimabadi et al., JGR, 2003]

Quasi-steady

準定常過程ではDKIが励起しない。
（ドリフト速度を持つプラズマは下流へ、ドリフト速度を持たないプラズマが磁気X線へ。）
準定常過程は2次元的である。
STEシミュレーション研究会＠名大8

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

LH

LH
ci
STEシミュレーション研究会＠名大9

3D AMR-PIC Simulation[Fujimoto & Sydora, CPC, 2008;Fujimoto, POP, 2009; 2011]
Tearing
Kink
LHDI

リコネクション
電場で加速

STEシミュレーション研究会＠名大10

mi/me Dependence of the DKI
DKIの成長率はmi/meに強く依存。
Real mass ではDKIは励起しない？
計算コスト ∝ (mi/me)5/2[Daughton, POP, 1999]

STEシミュレーション研究会＠名大11

Massively Parallel AMR-PIC Model[Fujimoto, JCP, 2011]

ノード
ＣＰＵ
（４コア）

ＣＰＵ
（４コア）

メモリ
（32G）

メモリ
（32G）

ＣＰＵ
（４コア）

ＣＰＵ
（４コア）

メモリ
（32G）

メモリ
（32G）

並列化率：
99.8%

負荷分散化

ポアソン除去Fujitsu FX1
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Time Evolution of the Current Sheet~ 1011 particles~ 6 TB memory

Surface: |J|, Line: Field line
Color on the surface: Ey, Cut plane：Jy

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Wave Activity

STEシミュレーション研究会＠名大

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Wave Properties: Linear Analyses
n=n
1/4 0kk (m) 1/4(mi/mi/mee)(m))1/41/4e(mi/m/mieic/pe~~cici
Shear
Sheardriven
drivenrathermode
thanmode ratherthan
thethedrift
driftmode
mode

Peak
velocities
arefixed.
Peakvelocities
arefixed.
Thewavesurvives
evenform/m=1836.
The wave survives even for mi i/mee=1836.

Dependence on theguide field (By)

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Anomalous Transport at the X-line

STEシミュレーション研究会＠名大16

Plasmoid-Induced Turbulence
Plasmoid formation
Wave
amplification
Local turbulence
enhancement
Propagation along
the field line
Intensified turbulenceat the x-line
STEシミュレーション研究会＠名大17

K. Fujimoto & RD. Sydora,
Plasmoid-induced turbulence incollisionless magnetic reconnection,
PRL, 109, 265004, 2012

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Surface: |Vex|, Line: Field line
Color on the surface:Vex, Cut plane：Vex

STEシミュレーション研究会＠名大

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Observation in Earth Magnetotail
Bursty Bulk Flow (BBF)

3 - 4 Re
[Sergeev et al., Space Sci. Rev., 1996]

局所的、間欠的なプラズマ流。
磁気圏尾部におけるエネルギー輸送の大部分。
リコネクションとの関係？

[Angelopoulos et al., 1992]
STEシミュレーション研究会＠名大20

まとめ
準定常リコネクションにおける異常磁気散逸機構を調べた。
問題設定： 反平行磁場、自発的、非相対論的不安定性 → シアー不安定性（ドリフト、2流体モードではない）（ci < r < lh, k ∝ (mi/me)1/4,  ~ ci）
散逸機構 → 電磁乱流による電子運動量の異常輸送
散逸の大きさ → プラズモイド形成によって増大。全磁気散逸の50％程度。波動の振幅に依存。

今後 ・・・ より大規模な計算を実現し、異常散逸過程が周辺領域に与える影響を調べる。
STEシミュレーション研究会＠名大21