地球磁気圏における磁気リコネクションの役割

長井嗣信

東京工業大学

磁気リコネクション研究の新展開　　 2003/07/17

Polar Cap Potential Drop 100 kVPolar Cap > 75 degrees L = 2 x 3.14 x 6371.2 x 30/360 = 3300 kmE = 100kV / 3300km = 30 mV/mB = 60000 nT V = E/B = 30 mV/m / 60000 nT = 500 m/sT = 3300km / 500 m/s = 100 min

Vsw = 500 km/sT = 100 Re/500 km/s = 20 min

Nishitani et al. JGR 2001

Plasma Convection in the Tail

Stationary vs Bursty

Paterson et al. JGR 1998

100 Re/10 km/s = 1000 min Angelopoulos et al. 1999

Dungey モデル (J. W. Dungey, Phys. Rev. Lett., 6, 47, 1961) は

どれだけうまく働いているか？

Bx 4.3 nT

By 4.9 nT

Bz 2.6 nT

Bt 7.9 nT

Bh 7.1 nT

Inc 20 度

地球磁気圏での磁気リコネクションの起きる場所

1．昼間側磁気圏境界面　 10 Re 1 Re = 6371.2 km

２．遠地球磁気圏尾部 100 Re 　　

３．近地球磁気圏尾部　　 20-30 Re

1．昼間側磁気圏境界面　

southward IMF Bz case northward IMF Bz case

antiparallel merging component merging

quasi-steady reconnection flux transfer event (transient reconnection)

1．昼間側磁気圏境界面　 southward IMF Bz case northward IMF Bz case

1．昼間側磁気圏境界面　 southward IMF Bz case Time Delay 10 minutes

almost simultaneously

1．昼間側磁気圏境界面　 southward IMF Bz case

component merging antiparallel merging

component merging antiparallel merging

1．昼間側磁気圏境界面　

southward IMF Bz case

quasi-steady reconnection flux transfer event (transient reconnection)

January 18, 1999

Spacecraft Observations

1977 ISEE-1, 2 plasma flows 1984 AMPTE/IRM1992 Geotail

1996 Polar electron distributions zero magnetic field

2000 Cluster

Spacecraft Observations

1977 ISEE-1, 2 plasma flows 1984 AMPTE/IRM1992 Geotail

Spacecraft Observations

Polar

解決すべき問題　　　昼間側磁気圏境界面

１． IMF Bz が南を向くだけで磁気リコネクションは起きるか？

２．磁気リコネクションは継続して起きているのか？

３．磁気リコネクションは十分に、　　 energy, mass, and momentum を輸送しているか？

４．どのタイプの磁気リコネクションがどれだけの役割を　　担っているか？

５．磁気圏シースの磁場変動の影響はあるか？

解決を困難にしている要因

１．人工衛星が磁気リコネクションのその場にいられるか？

２．磁気リコネクションの領域の周辺条件　　　　　　　観測とシミュレーション

３．グローバルシミュレーションにおける IMF Bx の取り扱い

新しい研究の方向

１．その場観測　　　　　 Geotail/Cluster 同時観測　低緯度と高緯度　　　　　 Geotail による低緯度観測

２．シミュレーション　　　　　何をやることが現実的なのか？

３．磁気リコネクションの物理の研究として　　「最適な場」か？　　　　　次期磁気圏ミッション　 SCOPE

２．遠磁気圏尾部　

ISEE-3 (1983)　　　 Geotail(1992-1994) 　による観測

　研究の新展開

　　観測の絶対的な不足

1．近地球磁気圏尾部　　　サブストームとの関連　

1．近地球磁気圏尾部　　　サブストームとの関連　

どこで起きているか？　　未だ未解決

1970 年代 18 Re Vela 15 Re IMP1980 年代 ISEE 1, 2 (apogee of 22.4 Re) No tailward flows IRM (apogee of 18.6 Re) No tailward flows1990 年代 20-30 Re Geotail2000 年代 Cluster (apogee of 19 Re) Several events

1．近地球磁気圏尾部　　　サブストームとの関連　

1970 年代

Nishida and Nagayama 1973

-10 -20 -30 -40 -50 -60

1．近地球磁気圏尾部　　　サブストームとの関連　

1970 年代

OGO-5

VELA

Russell 1972

1．近地球磁気圏尾部　　　サブストームとの関連　

どこで起きているか？　　未だ未解決

1970 年代 18 Re Vela 15 Re IMP1980 年代 ISEE 1, 2 (apogee of 22.4 Re) No tailward flows IRM (apogee of 18.6 Re) No tailward flows1990 年代 20-30 Re Geotail2000 年代 Cluster (apogee of 19 Re) Several events

Geotail

何が位置をコントロールしているか？

solar wind conditions plasma sheet composition (solar cycle)

磁気リコネクションの条件を決めるものを解明するための端緒

しかし、決定的結論はでるのか？

グローバルシミュレーションでは、だいたい１つの場所で開始する

Geotail 1992 July -

Geotail により　何がわかったか？

Geotail 　以前　　　 Plasma 　 Flows 　がある　　　　　　　　　磁場 Bz が南を向く

Geotail 　　　　　　磁気リコネクション？

　　　　　　　　　 MHD 　スケール

　　　　　　　　　 Ion 　スケール　の現象が見えてきた

Geotail で見えてきた Ion スケールの現象

磁場とプラズマの構造

Hall 効果

電子　　 4000 km/s 　イオン　 2500 km/s

Large negative Bz

Geotail により　何がわかったか？

Geotail 　以前　　　 Plasma 　 Flows 　がある　　　　　　　　　磁場 Bz が南を向く

Geotail 　　　　　　磁気リコネクション？

　　　　　　　　　 MHD 　スケール

　　　　　　　　　 Ion 　スケール　の現象が見えてきた

Geotail 　以後　　　 電子スケールの現象

新しい研究の方向

１．その場観測　　　次期磁気圏観測衛星　 SCOPE 　は　決定打となりうる　　　　　プラズマ（磁場）観測と軌道

２．シミュレーション　　　何をやることが現実的なのか？　　　　　観測との連携

なぜ近地球磁気圏尾部の磁気リコネクションの観測は難しいか？

決定的な理由１．完全なプラズマ観測はできていない２．磁気リコネクションを観測する確率は小さい

副次的な理由３．一点観測では３次元構造や他の領域との関連が　　わからない４．電場観測ができていない