地球磁気圏でのプラズマ加熱・加速

星野真弘
東大・理

地球磁気圏のパラメター
赤道面

X

20Re

eφ=10-100 keVY
子午面

Ey=VxB=0.1-1mV/m

Z
BLOBE=20 nT

X

NPS=1 cm-3

VA*=400 km/s
Tion=5 keV, Tion/Tele=5-7
Lgyro,ion=3500 km

磁気圏でのSlow Mode Shock観測

Slow Mode Shock は本当に存在するか？
Slow Mode Shock でのプラズマ加速・加熱は？

Slow Shock の観測される確率→全体の１０％程度(Saito et al. 1995)→非常に少ない(Seon et al. 1996)
上流

下流

R-H relationsがSlowShockを満たさない理由→温度異方性が存在する→急峻化より散逸のが速い→リコネクション前のプラズマ密度
Slow Shockの厚み→ several tens of ion inertia length(Saito et al. 1995)

All Plasma Sheet Data
Hot PS Plasma

Cold Lobe Plasma

2k BT / mv 2 = 0.4

Rankine-Hugoniot Relations

およそ磁気圏でのSlowShock領域

T// / T⊥ = 3 / 2, γ // = γ ⊥ = 2

およそ磁気圏でのSlowShock領域

温度異方性
プラズマシートの温度 Tpara > Tperp

プラズマ不安定 → MHD波動の励起→ プラズマ散乱 → 加熱・加速

Magnetotail Observation

MHD/CGL Equations

Dispersion Relation(Kulsrud, 1983)

high βplasmafire-hose instability

温度異方性の起源
2成分イオンの混合– SlowModeShock上流から下流に向かうイオン– 拡散領域で加速されたイオンビーム

LobeからPSにExBで流入する
冷たいイオン成分

X点で加速されたイオンビーム成分

境界領域でのAlfven波

イオンビーム成分によって励起されたAlfven波動（温度異方性と関連した不安定、正確にはイオン・サイクロトロンビーム不安定）→ プラズマ加熱の起源？

R-mode Alfven Wave

（Kawano et al. 1994)

イオンの速度分布関数の発展
複雑な分布関数（非ジャイロ分布など）を介して熱化しており、従来の粒子・波動相互作用よりもダイナミックな熱化現象が観測される

非ジャイロ分布の観測

電子の加熱/加速
非熱的電子の形成

GeotailObservation on
Reconnection
17:42UT ~ 18:04UTHot Electrons
Around 17:52 UT,
a plasma flow transition

Nonthermal Energy Spectrum(during the hot electron event 17:42 ~18:04)
10‑18f(E)dE (m‑6s3)

10‑19
10‑20
10‑21
10‑22
10‑23

Tele= 3.2 keV
0510 15 20 25 30 35 40ε(keV)ele

Thickness of Current Layer

Ampere’s Law:4πB
J = ∇× B ≈λc

1. J Å distribution functions
22. B Å pressure balance

2oB
B
≈
+ Po
8π 8πλ < 1000 km(Asano et al. 2003, 2004)

Reconnection領域の電流層

AfterReconnection
Befor
Reconnection

電流層の厚さ＝イオン慣性長程度（ジャイロ半径）Particle-in-cell (PIC) simulation
Two-dimensional system in the x-z plane
Grid size: 1536 x 640
Physical system size: 38.4λ x 16λ
Plasma sheet width λ: 80 grids
Ion inertia length : 73 grids
Electron inertial length : 9 grids
Mi/Me = 64
Double periodic boundary condition

t/τA=48Electron Energy Spectra

710106f(ε ele)

105
104t/τ A=48.8

103

7.8

21010141.701000.1

ε0.22/mcele

0.3

Z/λ4

High Energy Electrons ( ε ele/mc2 > 0.15)

2t/τ A=48.80‑2‑4‑12‑8‑40X/λ48124E132E410‑1‑2‑3E3‑4‑12 ‑10E2S1S3S4Z/λZ/λParticles’ Trajectories

S2‑8‑6X/λ‑4‑20S1S30 E3E4‑1E1E5‑10‑8‑6X/λ‑4‑20S4S50S2‑5Y/λY/λS55 Y

1‑2Ey‑10‑15‑3‑20E2‑4‑1243210‑1‑2‑3‑4‑12‑10‑8‑6X/λ‑4‑20‑25‑12E5‑10‑8‑6X/λ‑4‑20X

4E132E410‑1‑2‑3E3‑4‑12 ‑10E2S1S3S4Z/λZ/λParticles’ Trajectories

S2‑8‑6X/λ‑4‑20S1S30 E3E4‑1E1E5‑10‑8‑6X/λ‑4‑20S4S50S2‑5Y/λY/λS551‑2‑10‑15‑3‑20E2‑4‑1243210‑1‑2‑3‑4‑12‑10‑8‑6X/λ‑4‑20‑25‑12E5‑10‑8‑6X/λ‑4‑20

Acceleration Processes

粒子加速には、１）X点領域での前段階加速、２）磁場の圧縮領域での加速、３）その他（波による散乱、磁場局率によるカオス運動） が必要

高温電子の領域どこで電子が加熱されているか？
どこで電子が加速（非熱的粒子）されているか？

Distant Tail Neutral LineZZ
Earth ward

Earth ward

X

Log10 electron flux(>38keV)

X

Log10 electron temperature
740eV

1.3keV(Imada et al. 2004 to be published)Near Earth Neutral Line (~30Re)
ZZ
Earth ward

Earth ward

X

Log10electron flux(>38keV)

Energetic electron dominant region

X

Log10electron temperature
560eV
2.5keV
Thermal electron dominant region

磁場強度の強い地球側へのoutflow領域で加熱・加速が顕著

Distant Tail Plasmoid (<-80Re)
ZZ
Tail ward

Tail ward

X

Log10 electron flux(>38keV)

X

Log10 electron temperature
32eV

710eV

プラズモイド後面での電子加速が顕著、前面でも若干あり。