サブストームの課題

1. サブストームの課題 　長井嗣信 （東京工業大学）

2. サブストームの近地球尾部での 磁気リコネクションの諸課題 １．どこで起きるか　 （何が位置を決めるか） ２．いつ起きるか　 （起きる条件） ３．どのように発達　 （成長、終り）

3. 地球磁気圏での磁気リコネクション 夜側での磁気リコネクション 昼側での磁気リコネクション open field lines closed field lines

4. サブストーム 磁気圏尾部で Open field lines が (tail lobe field lines) リコネクションする過程 夜側での磁気リコネクション open field lines closed field lines

5. 磁気圏尾部での磁気リコネクションの証拠 サブストーム（オーロラ爆発）　 Fast Earthward Flows with Bz > 0 Bz < 0 Fast tailward Flows with Bz < 0 磁気圏尾部の磁場はダイポール磁場が 引き伸ばされたものだからすべて北向き Ieda et al. 2008 Fast Tailward Flows 地球半径の30倍の距離での磁気圏尾部での磁場とプラズマの観測

6. サブストームの近地球尾部での 磁気リコネクションの諸課題 １．どこで起きるか　 （何が位置を決めるか） ２．いつ起きるか　 （起きる条件） ３．どのように発達　 （成長、終り）

7. 1. 磁気リコネクションが観測される位置 オーロラの発生位置 朝側 真夜中 夕方側 発生頻度の高い領域 磁気緯度　67度 22-24MLT Grocott et al. 2009 X = -20 to -30 RE and Y = -5 to +10 RE Nagai et al., 1998a

8. THEMIS February 26, 2008 0450 UT P1 X = -21.5 RE P2 X = -17.2 RE Tailward Flux Earthward Flux distance 4.3 RE Angelopoulos et al. 2008

9. The solar wind energy input controls the magnetic reconnection site. Near-Tail Solar wind Electric field E = V x Bs Midtail Nagai et al., 2005

10. thin current sheet サブストームのonset Asano et al., 2004 磁気リコネクションの起きる場所thin current sheet の尾部側の端

11. The solar wind energy input controls the magnetic reconnection site. Near-Tail Solar wind Electric field E = V x Bs Midtail Nagai et al., 2005

12. 磁場 速度 イオン 電子 密度 イオン温度 Onset前のplasma sheet ほぼ赤道面に滞在 Bx = 0 プラズマ密度の増加 プラズマ温度の低下 磁気リコネクション

13. 磁気リコネクション Y方向の位置 惑星間空間磁場　IMF By あまりきかない 真夜中前 プラズマ密度　低い 磁気圏尾部　 基本的に真夜中に対して対称ではない Y方向

14. 磁気リコネクション Y方向の幅は？ Reconnection Jet 2-3RE

15. サブストームの近地球尾部での 磁気リコネクションの諸課題 １．どこで起きるか　 （何が位置を決めるか） ２．いつ起きるか　 （起きる条件） ３．どのように発達　 （成長、終り）

16. ２．　磁気リコネクションの起きるtiming 惑星間空間磁場　IMF Bz 南向きになってから40分程度後 Nagai, 1982

17. 0723 UT Ieda et al., 2008

18. 人工衛星観測 UV 地上観測 可視光 0041:00 0041:20 0041:40 UT

19. 磁気リコネクションが起きる前の惑星間空間磁場IMF Bz 磁気リコネクション 地球近くで起きる時 やや遠くで起きる時 ほぼ40分程度後 磁場の北向きへの反転 (IMF-triggered 60%) Hsu and McPherron, 2003 Nagai et al., 2005

20. 太陽風電場の変動　　　　　　　　　　　太陽風電場の時間積分太陽風電場の変動　　　　　　　　　　　太陽風電場の時間積分 E = V x Bs Flux accumulation threshold Nagai et al., 2005

21. 太陽風からの入力とサブストームの規模（明るさの積分)太陽風からの入力とサブストームの規模（明るさの積分) サブストームの規模 （明るさの積分) VBs Blockx et al., 2009

22. サブストームの近地球尾部での 磁気リコネクションの諸課題 １．どこで起きるか　 （何が位置を決めるか） ２．いつ起きるか　 （起きる条件） ３．どのように発達　 （成長、終り）

23. ３．どのように発達するか？ １. 継続時間 2. Single-onset vs. Multiple-onset 3. Pseudobreakup

24. 磁気リコネクションの同定 １．電子の加速 ２．ホール電流系 高速イオン流 イオン 電子 • 1540 UT • February 18, 1996 加速された電子 Nagai et al., 2001

25. 磁気リコネクションの継続時間 サブストームの 発達時間 （地上の磁場変動） 磁気リコネクションの 継続時間 40分 25分 1994-084 イオン 電子 1989-046 LANL Electron flux

26. 磁気リコネクションとオーロラの関係 磁気リコネクション 磁気Fluxの急激な輸送 磁気圏尾部全体の構造変化 強い沿磁力線電流の生成 　　　（電子の降込み　＝　電離層から出る向きの電流) オーロラ Fairfield et al., 1999

27. Single-onset substorm Multiple-onset substorm

28. Multiple-onset substorm • 17 18 • UT 静止軌道での 電子のinjection

29. Reconnection jet 磁気リコネクションは起きていない

30. . 1709UT 磁気リコネクションは 起きていない

31. . 1740 UT 磁気リコネクションは 起きていない

32. 1804 UT 磁気リコネクションは 終了している

33. サブストーム 磁気圏尾部で Open field lines が (tail lobe field lines) リコネクションする過程 夜側での磁気リコネクション open field lines closed field lines

34. open field lines low density closed field lines high density open field lines low density Alfven velocity = Reconnection jet speed VA = 500 km/s in plasma sheet closed field lines VA = 2500 km/s in tail lobe open field lines

35. 磁気リコネクションはどこまで進むか？ closed field linesだけの磁気リコネクション (plasma sheet field lines) open field linesまですすむ磁気リコネクション (tail lobe field lines) open field lines closed filed lines open field lines

36. electron energy spectra Geotail observations at 25 RE 1996/02/18 Flux strong acceleration of electrons > 2000 km/s tailward flowing ions Energy thermal accelerated • 1540 UT strong acceleration of electrons

37. Geotail observations at 25 RE 1996/02/18 Time scale of closed field line reconnection open field lines reconnection > 2000 km/s tailward flowing ions 12 sec • 1540 UT strong acceleration of electrons 48 sec 1分の時間スケールで磁気リコネクションは発達

38. サブストームの発達のしかた Single-onset substorm Multiple-onset substorm 各onsetもopen field linesまでリコネクションするのか？ tail lobe

39. Kaguya plasma andmagnetic field observations in the magnetotail on December 22, 2007 Nagai et al., 2009 sheath magnetotail tail sheath

40. 4 onsets 静止軌道での電子injection Nagai et al., 2009

41. Plasmoids electrons tailward flows ions 1325, 1331, 1341, 1346 UT tail lobeからplasmoidへ直接入る open field linesまでリコネクションが 進んでいる証拠 4 plasmoids (tailward flows) Nagai et al., 2009

42. Closed field linesだけの磁気リコネクションはあるか？ closed field linesだけの磁気リコネクション (plasma sheet field lines) open field lines closed filed lines open field lines pseudobreakup

43. pseudobreakup pseudobreakup Nagai et al. 1998b サブストームのmain onset

44. IMF Bz 南向き継続 Fluxの磁気圏尾部への輸送 Pseudobreakup 大きなオーロラ活動にならない transient Bz < 0 tailward flows 500 km/s Nagai et al., 1998b

45. plasma sheetの中央部だけにhotなtailward flowing ions その外側のplasma sheetは静止した冷たいplasma pseudobreakup = closed field linesだけの磁気リコネクション (plasma sheet field lines) Nagai et al. 1998b

46. サブストームの近地球尾部での 磁気リコネクションの諸課題 １．どこで起きるか　 （何が位置を決めるか） ２．いつ起きるか　 （起きる条件） ３．どのように発達　 （成長、終り）

47. electron energy spectra 磁気リコネクションの終わり その後のプラズマは？ 加速加熱されたプラズマはそこにはない Flux strong acceleration of electrons > 2000 km/s tailward flowing ions Energy thermal accelerated • 1540 UT strong acceleration of electrons Geotail observations at 25 RE 1996/02/18

48. 磁場 速度 イオン 電子 密度 イオン温度 磁気リコネクション 後のplasma sheet 赤道面に滞在 Bx = 0 磁気リコネクション 高温のプラズマ Earthward Flows large Bz > 0 energetic electrons 低温のプラズマ 　　ほぼ静止

49. 磁気リコネクションの継続時間 サブストームの 発達時間 （地上の磁場変動） 磁気リコネクションの 継続時間 40分 25分 イオン 電子 低温プラズマ 　　ほぼ静止

50. earthward flows plasma sheet heating tailward ions earthward ions electrons tailward flows 1600 1700 1800 UT 低温プラズマ 　　ほぼ静止 earthward flows reconnection at the distant tail in the recovery phase onset