無衝突磁気リコネクションにおける磁気拡散機構
藤本桂三
国立天文台 理論研究部

宇宙空間における磁気リコネクション
地球磁気圏（オーロラ）サブストーム

太陽フレア[NASA]

Plasma Seminar地球磁気圏におけるスケール

100 eVei~10-8[Kivelson & Russell, 1995]

衝突頻度：３年に１回くらい[Baumjohann & Treumann, 1997]

平均自由行程：1000AU
Plasma Seminar磁気リコネクションと磁気圏ダイナミクス[NASA]

1km

磁気拡散

De

103km

10km

ホール効果

e, eFull PIC（粒子）(Particle-In-Cell)

1011km

105km
トポロジー

i, i∬L
MHD（流体）(Magnetohydrodynamics)
Plasma Seminar

Lc

Coulomb mean
free pathi ~ 1

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

Nongyrotropic
correction case

 Slow reconnection
 Quasi-steadyconfiguration
 Fast reconnection
 Quasi-periodic
process

Plasma Seminar電気抵抗とは？

単位時間に受取る運動量

単位時間に失う運動量

Plasma SeminarDissipation Mechanism in 2D Reconnection
ZX[Cai & Lee, 1997; Hesse et al., 1999]

Plasma SeminarDissipation Mechanism in 2D Reconnection
eZ

EyX

FluidParticle[Fujimoto & Sydora, 2009]

Speiser [1965]

Electron inertia resistivity

tr: Transit time through the electron diffusion
regionPlasma SeminarDissipation Mechanism in 2D Reconnection
eZX

Very thin current
layer!

⇒

Plasma SeminarImplication of Anomalous Effects:
Lab Experiment

e >> c/pe[Ji et al., GRL, 2008]
Plasma SeminarImplication of Anomalous Effects:
Satellite Observation

LHci[Wygant et al, JGR, 2005]
Plasma Seminar[Zhou et al, JGR, 2009]

Implication of Anomalous Effects[Vasyliunas, 1975](Resistive length)
Could be caused by wave-particle
interactions.
Plasma Seminar３次元電流層における不安定モード
Tearing instability
Bx = -B0 tanh(z/)Jy = -J0 sech2(z/)ZXLower hybriddrift instability(LHDI)

Zkye ~ 1
 ~ lhY

Plasma Seminar

Kink-typeinstability

ZkyL ~ 1Y

3D Reconnection Researches ( ~ 1)
 LHDI and magnetic reconnection
Enhances the tearing mode growth rate [Scholer et al. (2003), Ricci et al. (2004)],
No impact on the quasi-steady process [Zeiler et al., (2002), Fujimoto (2009)].

 Kink-type instability and magnetic reconnection
Driftmode Drift kink （k ~ 1,  ~ ci） [Pritchett & Coroniti, 1996]
 Current sheet kink instability (k(ie)1/2 ~ 1) [Suzuki et al., 2002]
 Electromagnetic LHDI (k(ie)1/2 ~ 1) [Daughton, 2003]
Triggers magnetic reconnection [Horiuchi & Sato (1999), Scholer et al. (2003)],
No impact on the quasi-steady process[Pritchett & Coroniti (2001), Karimabadi et al. (2003)],

Gives anomalous dissipation during the quasi-steady reconnection[Fujimoto (2009, 2011)].
Plasma Seminar

AMR-PICコード[Fujimoto & Machida, JCP, 2006;
Fujimoto, JCP, 2011](Adaptive Mesh Refinement – Particle-in-Cell)eスケールの構造

陽解法の制約x < De,pet < 1

x/t > c

De,ps ~ 3×102 m
De,lobe ~ 6×103 m

Plasma Seminar超並列AMR-PICコードの性能
Fujitsu FX1（名大情報基盤センター）
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%

Plasma Seminar

Simulation Setup
AMR-PIC-3D code 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

Plasma Seminar

Max memory used ~ 6TB

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

Plasma SeminarWave Number Spectrum|Ve |ZY

Plasma SeminarWave-Particle Interactions
3D reconnection

2D reconnection

Anomalous effects
φVe

ES turb.

zVe

Bx

EM turb.
Plasma Seminar

電磁波動による運動量異常輸送（異常磁気拡散）
z

Bx

Ve

Plasma Seminarプラズモイドにともなう電磁擾乱の強化

Plasma Seminar

Plasmoid-Induced Turbulence II(a)(c)(a) (b)(b)(c)

Plasma SeminarWave Properties In collaboration with R. Sydora (U. Alberta) = r + iSimulation resultsci < |r| < ＬＨ
Vph ≈ VA
Linear analyses
ElectronＬＨci

Two-fluidTwo-fluid
equations
equations

Ion

Inconsistent with drift mode
property
Plasma SeminarWave Properties: Linear Analyses 2 (mi / me )1/ 4kk (m))1/41/4e(mi/m/miee=i=c/pee=c/pe i > e(m))1/41/4e(mi/m/mie~~cici
Shear
Shearisis
importantimportantfactor.
factor.

The=1836.
Thewavewavesurvives
surviveseven
evenforform
mi/mi/mee=1836.
Plasma SeminarまとめAMR-PICコードを用いて、磁気リコネクションの大規模な３次元粒子シミュレーションを実施し、３次元的な磁気拡散機構を調べた。
 電流層に沿って電磁波動が発生 ⇒ 運動量の異常輸送（異常磁気拡散） プラズモイドの発生 ⇒ 電磁擾乱を強化
 線形波動解析 ⇒ ci < r < LH
シアー駆動型不安定性
mi/me = 1834 でも大きな成長率
Plasma Seminar

Perspective in Near Future
磁気リコネクションのマクロシステムへの適用
MHDコード スケールフリー 自由な境界条件・初期設定
グローバル構造のモデリング

E + V×B = J
プラズマ運動論効果

PICコード物理的考察

 完全な運動論効果
 詳細なミクロ構造
Plasma Seminar