真夏の磁気圏境界層長谷川洋 STPセミナー 2009/09/16 磁気圏現象の季節依存性 • 地軸：公転面の法線に対して23.4°の傾き。 • 磁軸（磁気双極子モーメントの軸）：地軸に対して約11°の傾き。磁気圏の現象には、季節依存性が生じうる。地磁気活動度の季節依存性 Russell & McPherron, 1973 Russell-McPherron効果春・秋[View from Sun] IMF 太陽の磁気赤道 GSM座標系で、IMF南北成分が現れる。太陽風速度の影響夏・冬[GSM X-Z plane] 太陽風速度 Yoshida, AG, 2009 IMF北向きの場合は？ 2007年6月3日（~夏至）の観測 (Øieroset et al., 2008) Song & Russell, 1992 40 min グローバルMHDシミュレーション子午面 Vz Li et al., JGR, 2009 特徴的な低緯度境界層（LLBL）赤道面密度 Vz Li et al., JGR, 2009 MHDシミュレーション結果 • 夏（北）半球で最初に高緯度リコネクション。 • 南向きのプラズマジェット（~100 km/s）の層 - 昼側磁気圏界面のすぐ地球側に形成。 - 低温（< 1 keV）、高密度（> 1 /cc）のプラズマ。 - 経度方向の広がり大。 - 大部分は開いた磁力線の領域。 • 開いた磁力線の一部は、冬（南）半球での高緯度リコネクションにより、閉じる。 • 低温高密度プラズマ層の厚み＞ 1 Re MHDシミュレーション結果 • 夏（北）半球で最初に高緯度リコネクション。 • 南向きのプラズマジェット（~100 km/s）の層 - 昼側磁気圏界面のすぐ地球側に形成。 - 低温（< 1 keV）、高密度（> 1 /cc）のプラズマ。 - 経度方向の広がり大。 - 大部分は開いた磁力線の領域。 • 開いた磁力線の一部は、冬（南）半球での高緯度リコネクションにより、閉じる。 • 低温高密度プラズマ層の厚み＞ 1 Re 2008年7月11日のTHEMIS観測太陽風、シース、昼側境界層を同時観測 2008年7月11日のIMF 2.5 hours IMF clock angle = tan–1(By/Bz) IMFは長時間、強い北向き MHDシミュレーション結果 • 夏（北）半球で最初に高緯度リコネクション。 • 南向きのプラズマジェット（~100 km/s）の層 - 昼側磁気圏界面のすぐ地球側に形成。 - 低温（< 1 keV）、高密度（> 1 /cc）のプラズマ。 - 経度方向の広がり大。 - 大部分は開いた磁力線の領域。 • 開いた磁力線の一部は、冬（南）半球での高緯度リコネクションにより、閉じる。 • 低温高密度プラズマ層の厚み＞ 1 Re 電子のMSBL（magnetosheath boundary layer） TH-E MHDシミュレーション結果 • 夏（北）半球で最初に高緯度リコネクション。 • 南向きのプラズマジェット（~100 km/s）の層 - 昼側磁気圏界面のすぐ地球側に形成。 - 低温（< 1 keV）、高密度（> 1 /cc）のプラズマ。 - 経度方向の広がり大。 - 大部分は開いた磁力線の領域。 • 開いた磁力線の一部は、冬（南）半球での高緯度リコネクションにより、閉じる。 • 低温高密度プラズマ層の厚み＞ 1 Re 2008年7月11日の境界層観測リコネクションは続いていた経度方向に広がったジェットの層 TH-AとTH-Eの経度方向の距離～ 3.5 Re ジェットは閉じた磁力線上ピッチ角~0°と~180°の電子フラックスがバランス MHDシミュレーション結果 • 夏（北）半球で最初に高緯度リコネクション。 • 南向きのプラズマジェット（~100 km/s）の層 - 昼側磁気圏界面のすぐ地球側に形成。 - 低温（< 1 keV）、高密度（> 1 /cc）のプラズマ。 - 経度方向の広がり大。 - 大部分は開いた磁力線の領域。 • 開いた磁力線の一部は、冬（南）半球での高緯度リコネクションにより、閉じる。 • 低温高密度プラズマ層の厚み＞ 1 Re 高密度境界層の厚み＜ 0.5 Re TH-D TH-E TH-A MHDシミュレーション結果 • 夏（北）半球で最初に高緯度リコネクション。 • 南向きのプラズマジェット（~100 km/s）の層 - 昼側磁気圏界面のすぐ地球側に形成。 - 低温（< 1 keV）、高密度（> 1 /cc）のプラズマ。 - 経度方向の広がり大。 - 大部分は開いた磁力線の領域。 • 開いた磁力線の一部は、冬（南）半球での高緯度リコネクションにより、閉じる。 • 低温高密度プラズマ層の厚み＞ 1 Re 観測結果 • 夏（北）半球で最初に高緯度リコネクション。 • 南向きのプラズマジェット（~100 km/s）の層 - 昼側磁気圏界面のすぐ地球側に形成。 - 低温（< 1 keV）、高密度（> 1 /cc）のプラズマ。 - 経度方向の広がり＞ 3.5 Re。 - 大部分は閉じた磁力線の領域。 • 開いた磁力線の大部分は、冬（南）半球での高緯度リコネクションにより、閉じる。 • 低温高密度プラズマ層の厚み＜ 0.5 Re 違いから推測できること • ジェット層、高密度境界層の大部分は閉じた磁力線上にある。 ⇒ リコネクション率は、南北両半球でほぼ等しい。 • 昼側境界層の厚み < 0.5 Re。グローバルMHDシミュレーション（Li et al., JGR, 2009）と比べて、 ⇒ 実際のリコネクション率は低い、and/or 実際の尾部へのプラズマ輸送効率は高い。今の（グローバル）MHDシミュレーションの短所 • リコネクションは異常（人工）・数値抵抗が原因で起きている。 • 空間分解能が（多分）足りない。 ⇒ 大きな数値抵抗 ⇒ 現実より大きいリコネクション（磁場拡散）率？ ⇒ KH渦が生じない ⇒ 現実より小さい運動量輸送？ • Plasma Depletion Layerが形成されにくい。冬半球でのリコネクションが起こりにくくなっている？未解決問題 • IMF北向き時に、リコネクション率は磁軸の傾き（季節）に依存するか？ • If so, AND 支配的な太陽風プラズマ流入・輸送メカニズムがリコネクションならば、プラズマシートの密度や境界層の厚みも、磁軸の傾きに依存するはず。 • グローバルMHDシミュレーション（Li et al., 2008）：流入率は磁軸の傾きに依存。実際は？？？ DMSPデータで迫れるか北向きIMF時プラズマ密度プラズマ温度南向きIMF時磁気圏赤道面での密度＆温度2Dマップ (Wing & Newell, 2002) 2008年7月11日の衛星配置 TH-B Geotail TH-C TH-A,D,E Cluster まとめ • IMF北向き時にLLBLで、南向きのリコネクションジェットを多点観測。 • ジェット層、境界層は閉じた磁力線上にある。 - リコネクション率は、南北両半球でほぼ等しい。 • 高密度境界層の厚み < 0.5 Re。グローバルMHDシミュレーションと比べて、 - 実際のリコネクション率は低い、and/or - 実際の尾部へのプラズマ輸送効率は高い。プラズマ流入・輸送効率に季節依存性はあるか？ References • Hasegawa, H., J. P. McFadden, O. D. Constantinescu, et al., Boundary layer plasma flows from high-latitude reconnection in the summer hemisphere for northward IMF: THEMIS multi-point observations, Geophys. Res. Lett., 36, L15107, doi:10.1029/2009GL039410, 2009. • Li, W., J. Raeder, M. F. Thomsen, and B. Lavraud, Solar wind plasma entry into the magnetosphere under northward IMF conditions, J. Geophys. Res., 113, A04204, doi:10.1029/2007JA012604, 2008. • Li, W., J. Raeder, M. Øieroset, and T. D. Phan, Cold dense magnetopause boundary layer under northward IMF: Results from THEMIS and MHD simulations, J. Geophys. Res., 114, A00C15, doi:10.1029/2008JA013497, 2009. • Øieroset, M., T. D. Phan, V. Angelopoulos, et al., THEMIS multi-spacecraft observations of magnetosheath plasma penetration deep into the dayside lowlatitude magnetosphere for northward and strong By IMF, Geophys. Res. Lett., 35, L17S11, doi:10.1029/2008GL033661, 2008. • Russell, C. T., and R. L. McPherron, Semiannual variation of geomagnetic activity, J. Geophys. Res., 78, 92-108, 1973. • Song, P., and C. T. Russell, Model of the formation of the low-latitude boundary layer for strongly northward interplanetary magnetic field, J. Geophys. Res., 97, 1411-1420, 1992. • Yoshida, A., Physical meaning of the equinoctial effect for semi-annual variation in geomagnetic activity, Ann. Geophys., 27, 1909-1914, 2009.