サブストームの課題
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サブストームの課題. 長井嗣信 (東京工業大学). 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). 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. 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. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
サブストームの課題
長井嗣信(東京工業大学)
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)
地球磁気圏での磁気リコネクション
昼側での磁気リコネクション
夜側での磁気リコネクション
open field lines
closed field lines
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
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 Tailward Flows
Bz < 0
Fast tailward Flowswith Bz < 0
Fast Earthward Flowswith Bz > 0
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
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
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)
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
X = -20 to -30 RE and Y = -5 to +10 RE
磁気緯度 67度22-24 MLT
Grocott et al. 2009
発生頻度の高い領域
Nagai et al., 1998a
Tailward Flux
Earthward Flux
THEMIS February 26, 2008 0450 UT
P1 X = -21.5 RE
P2 X = -17.2 RE
distance 4.3 RE
Angelopoulos et al. 2008
Near-Tail
Midtail
The solar wind energy input controls the magnetic reconnection site.
Solar wind Electric field
E = V x Bs
Nagai et al., 2005
磁気リコネクションの起きる場所 thin current sheet の尾部側の端
thin current sheet
サブストームの onset
Asano et al., 2004
Near-Tail
Midtail
The solar wind energy input controls the magnetic reconnection site.
Solar wind Electric field
E = V x Bs
Nagai et al., 2005
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
磁場
速度
イオン
電子
密度
イオン温度
磁気リコネクション
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
磁気リコネクション
Y 方向の幅は?
Reconnection Jet
2-3 RE
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)
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
0723 UTIeda et al., 2008
人工衛星観測
UV
地上観測
可視光
0041:00 0041:20 0041:40 UT
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%)
Nagai et al., 2005Hsu and McPherron, 2003
太陽風電場の変動 太陽風電場の時間積分
E = V x Bs Flux accumulation
Nagai et al., 2005
threshold
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
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.どのように発達するか?
1 . 継続時間
2. Single-onset vs. Multiple-onset
3. Pseudobreakup
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
イオン
電子
加速された電子
1530 1540 UT February 18, 1996
高速イオン流
Nagai et al., 2001
磁気リコネクションの継続時間
イオン
電子
40分
25分
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
LANL Electron flux
1994-084
1989-046
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
Single-onset substorm Multiple-onset substorm
16 17 18 UT
Multiple-onset substorm
静止軌道での電子の injection
磁気リコネクションは起きていないReconnection jet
1709UT
.
磁気リコネクションは起きていない
1740 UT
.
磁気リコネクションは起きていない
1804 UT
磁気リコネクションは終了している
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
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
open field lineslow density
closed field lineshigh density
open field lineslow density
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
Geotail observations at 25 RE
1996/02/18
strong acceleration of electrons
strong acceleration of electrons
thermal
accelerated
electron energy spectra
Flux
Energy
1530 1540 UT
> 2000 km/s tailward flowing ions
Geotail observations at 25 RE
1996/02/18
strong acceleration of electrons
1530 1540 UT
> 2000 km/s tailward flowing ions
48 sec
Time scale ofclosed field line reconnection open field lines reconnection
12 sec
1 分の時間スケールで磁気リコネクションは発達
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
サブストームの発達のしかた
Kaguya plasma and magnetic field observationsin the magnetotail on December 22, 2007
sheath magnetotailtailsheath
Nagai et al., 2009
4 onsets Nagai et al., 2009 静止軌道での電子 injection
Plasmoids
electrons tailward flowsions
1325, 1331, 1341, 1346 UT
4 plasmoids (tailward flows)
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
Nagai et al., 2009
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
pseudobreakup
サブストームの main onset
pseudobreakup
Nagai et al. 1998b
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 < 0tailward flows 500 km/s
Nagai et al., 1998b
Nagai et al. 1998b
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)
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)
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
strong acceleration of electrons
strong acceleration of electrons
thermal
accelerated
electron energy spectra
Flux
Energy
1530 1540 UT
> 2000 km/s tailward flowing ions
Geotail observations at 25 RE 1996/02/18
磁気リコネクション後の plasma sheet
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
赤道面に滞在 Bx = 0
低温のプラズマ ほぼ静止
高温のプラズマ Earthward Flows large Bz > 0 energetic electrons
磁気リコネクションの継続時間
イオン
電子
40分
25分
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
低温プラズマ ほぼ静止
tailward ions
earthward ions
electrons
1600 1700 1800 UT
tailward flows
onset
earthward flows reconnection at the distant tailin the recovery phase
earthward flows
plasma sheet heating
低温プラズマ ほぼ静止
X-line tailward motion
Tailward motion of reconnection site
Transport of cold plasmas
磁気リコレクションの終了
より遠い所での新たな磁気リコネクション
Hones et al., 1973
サブストーム モデル
Nagai et al., 1998c
Transport of cold plasmas
磁気リコレクションの終了
より遠い所での新たな磁気リコネクション
より遠いところでの新たな磁気リコネクション
1. plasma sheet 全体を満たす 加熱されたプラズマの生成
2.高いエネルギーまで イオン電子とも加速
磁気リコネクションの起きる周りの条件(外部条件)で加熱加速の効率がきまる?
Nagai et al., 1998c
遠いところでの磁気リコネクションによる高エネルギー電子の生成
December 02, 2008
Geotail
Electron
20 keV 5 keV
Geotail
Electrons
High latitude small bay
quiet time electron injection
Geotail in the duskside
Geotail Statistics
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 X = -20 to -30 RE Solar wind E = VBs controltailward edge of thinned current sheet
2.いつ起きるか IMF Bz < 0 required no threshold for accumulated fluxes northward turning of IMF Bz 60 %3.どのように発達 short duration (no relationship to IMF) multiple-onset quick development to open-field-line reconnection closed-field-line reconnection = pseudobreakup
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
4.どのような状態で起きているか?
ずっと静穏の後起きるサブストーム
cold dense plasma sheet
サブストームが頻発しているとき
hot tenuous plasma sheet
characteristics of plasmasin the pre-reconnection state
磁気リコネクション
本質的な物理過程 + 外部条件 不安定性・散逸 位置・成長「磁気圏では、磁気リコネクションは シミュレーションのようには進行しない」
Micro-process electron dynamics
SCOPE
High-time resolutionElectron measurements
The daughter s/cdedicated to wave-particleInteraction issue
Ion scale dynamics monitors
Micro-process + Macro-process
Cross scale coupling in the plasma universe
Event 5 1997/01/12
Bz
Bt
Vx 40-min
two-step development
two-step development
CANOPUS0700 0800UT
Cluster Reconnection Event on August 24, 2003
Bz
Vx
Ions
ElectronsNakamura et al. 2006
(-16.8, -3.8, 3.3 RE)
T & E E
February 18, 1996
T T&E E
Tanskanen 2009
Tanskanen 2009
electron -ion+
electron
ion+
-
Magnetic field
electron diffusion region e
ion diffusion region i ~ 40 e
Ion-Electron Decoupling at the i Scale
electron -ion +
electron
ion+
-
Magnetic field
electron diffusion region e
ion diffusion region i ~ 40 e
j ホール電流
ホール電流系の形成
electron -ion +
electron
ion+
-
Magnetic field
electron diffusion region e
ion diffusion region i ~ 40 e
ホール電場の形成
E
ExB で紙面向こうむきのドリフト (dawnward motion)
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
eii
非対角成分
1/2
e = c / pe 5.3/ n (/cc) km
i = c / pi 227/ n (/cc) km
V. M. Vasyliunas, Rev. Geophys. Space Phys. 1975
1/2
1/2
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
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
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 n T 0.01 /cc Alfvén 速度 4000 km/s
ion inertial length 500 km i = V / i = c / pi
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
Nagai et al., Phys. Plasmas 9, 3705, 2002
Vx
Bz
High T
Reconnection
Bz
Earthward Flows
Counterstreaming Ions
Magnetic Field
Nagai et al., Phys. Plasmas 9, 3705, 2002
Counterstreaming Ions
Magnetic Field
Magnetic Reconnection in the Distant Tail
Nagai et al., Phys. Plasmas 9, 3705, 2002
Geotail 1992.9 - 16.5 years
Akebono RDM > 2 MeV electron flux 1989.3- 20 years