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Magnetic Reconnection

Magnetic Reconnection. ー　 MHD 的描像から粒子的描像へ　－. 長井嗣信. Classical MHD steady magnetic reconnection. Sweet-Parker reconnection Petscheck reconnection reconnection rate. MHD magnetic reconnection simulation (T. Sato, 1979). Anomalous resistivity.

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Magnetic Reconnection

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Presentation Transcript

  1. MagneticReconnection ー　MHD的描像から粒子的描像へ　－ 長井嗣信

  2. Classical MHD steady magnetic reconnection Sweet-Parker reconnection Petscheck reconnection reconnection rate

  3. MHD magnetic reconnection simulation (T. Sato, 1979) Anomalous resistivity

  4. 磁気中性線付近での荷電粒子の運動 S. W. H Cowley 1985

  5. 研究テーマ MHD的描像の磁気リコネクションの確立 粒子的描像の磁気リコネクションの世界への発展

  6. Classical MHD steady magnetic reconnection Sweet-Parker reconnection Petscheck reconnection reconnection rate

  7. イオンと電子の運動を考慮した磁気リコネクションモデルイオンと電子の運動を考慮した磁気リコネクションモデル 　　　　　　　　　　　　　　粒子的描像

  8. Geospace Environmental Modeling (GEM) Magnetic Reconnection Challenge (Birn et al. J. Geophys. Res., 2001)

  9. B. U. O. Sonnerup (1979) Ion-Electron Decoupling イオンー電子の二流体による 磁気リコネクションモデル

  10. イオン慣性長程度でのスケールでの物理 Ion NOT frozen-in Electron still frozen-in Ion-Electron Decoupling (non-MHD) Hall Effect

  11. 一般化したオームの法則でMHDで無視した項の役割一般化したオームの法則でMHDで無視した項の役割 • 電子慣性項　　電子圧力項　　ホール項　　異常抵抗項 • le li b li • 非対角成分　　 1/2 1/2 le = c / wpe5.3/ n (/cc) km li = c /wpi 227/ n (/cc) km V. M. Vasyliunas, Rev. Geophys. Space Phys. 1975 1/2

  12. Ion-Electron Decoupling at the li Scale - electron + ion Magnetic field + ion - electron electron diffusion region le ion diffusion region li ~ 40 le

  13. ホール電流系の形成 - electron + ion Magnetic field + ion ホール電流 j - electron electron diffusion region le ion diffusion region li ~ 40 le

  14. ホール磁場の形成 　　４重極構造 - electron + ion Magnetic field + ion ホール電流 j - electron ホール磁場 By < 0 electron diffusion region le ion diffusion region li ~ 40 le

  15. ホール電場の形成 - electron + ion Magnetic field E + ion - electron ExBで紙面向こうむきの ドリフト (dawnward motion) electron diffusion region le ion diffusion region li ~ 40 le

  16. 一般化したオームの法則でMHDで無視した項の役割一般化したオームの法則でMHDで無視した項の役割 • 電子慣性項　　電子圧力項　　ホール項　　異常抵抗項 • le li b li • 非対角成分　　 1/2 1/2 le = c / wpe5.3/ n (/cc) km li = c /wpi 227/ n (/cc) km V. M. Vasyliunas, Rev. Geophys. Space Phys. 1975 1/2

  17. Energy = 1 keV B = 10 nT • Velocity Larmor Radius Period • Proton 440 km/s 460 km 6.6 sec • Electron 18800 km/s 11 km 0.004 sec • Proton 4600 sqrt(E) / B km 66 / B sec • Electron 110 sqrt(E) / B km 0.036 / B sec

  18. 地球磁気圏尾部での典型的物理量 1 RE = 6371.2 km 地球半径 磁気圏尾部　　幅 40 RE 　　　　　　　　　厚さ 10 RE 　　　　　　　 磁場 20 nT 　　　　　　　 密度 0.3 /cc 　　　　　　　 温度 3 keV　イオン

  19. 磁気リコネクション領域での物理量 プラズマの厚さ　　１　イオン慣性長 外部の磁場とプラズマ　　20　ｎT 0.01 /cc Alfvén速度　4000 km/s ion inertial length 500 km li = VA / Wi= c / wpi

  20. 2D Full Particle Simulations I. Shinohara me/mi 1/100 Particles 33,554,432 (Av. 128 /grid) Grid Size 512 x 512 Ion Inertial Length 32 grids Electron Inertial Length 3.2 grids Initial Current Thickness 0.5 li (Harris Current Sheet) Double-Periodic Boundary Conditions Results at time Wi t = 18.0

  21. イオンの運動 電子の運動 イオンの アルフベン速度 電子の アルフベン速度

  22. 磁場の分布 南北方向Bz イオンの速度 電子の速度

  23. Magnetic Reconnection Simulation Magnetic field structure Outflows (electron Vx and ion Vx) Out-of-plane current (electron Vy and ion Vy)

  24. Currents and By The Hall current system

  25. EH the Hall electric field JxB/en Cluster Observations Henderson et al., GRL 2006

  26. Edivp the electric field by div Pe -div Pe /en Cluster Observations Henderson et al., GRL 2006

  27. EH >> Edivp EH Edivp

  28. Hall current Geotail 1996/01/27 Va 2900 km/s n 0.02/cc B 19 nT Vi -2500 km/s Ve -4000 km/s j 7.5 nA/m**2 Geotail 6-13 nA/m**2 Eh 10 mV/m Cluster 2003/08/24 Jx 20 nA/m**2 Bz 2.7 nT E hall 4.22 mV/m Vdrift 500 km/s Henderson Ez hall 6 mV/m Ez Pe 1 mV/m

  29. li scale 電子圧力の非対角成分による電場

  30. 磁気中性線付近での荷電粒子の運動 S. W. H Cowley 1985

  31. Ve x

  32. Ve y

  33. By

  34. The simulation box size [−Lx/2,+Lx/2]×[−Lz/2,+Lz/2] Lx = 48D Lz = 24D initial current sheet thickness D = 0.5λi Δ is equal to the Debye λi = 200Δ The number of simulation grids 4800×2400 Particle number 1.5×10 particles for each species nCS Ti;CS/Te;CS= 5 nBK= nCSTi;BK = Te;BK= Te;CS ion to electron mass ratio mi/me = 400 frequency ratio ωpe/Ωe = 4, ωpe≡√4πnCSe2/meΩe≡ eB0/mecλi ≡ c/ωpi= c/√4πnCSe2/mi The initial magnetic field the Harris sheet Bx(z) = B0 tanh(z/D) B0 the asymptotic magnetic field D the current sheet half-thickness The perturbed magnetic flux function ψ(x, z) = ψ0 sin(2πx/Lx) cos(2πz/Lz) B (x, z) = eˆy ×∇ψ(x, z) at TΩi = 35 Vi x ∼ 0.3VAVA the Alfven speed B0/√4πminCS 9

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