[論文レビュー] 2-D model of the global ionospheric conductor connected with the magnetospheric conductors

В. В. Денисенко|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2018

Ionosphere and magnetosphere dynamics参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、高場方向導電率を前提として、Pedersen導電率と場方向導電率の比を小さなパラメータとする小パラメータ展開を用いて、3次元電気的導電率問題を2次元に簡略化したグローバルイオン層導体モデルを提示する。このモデルは、オーロラ帯が磁圏導体（コアスおよびプラズマ層）と接続されると等電位になることを示し、グローバル導電率問題を3つの独立した境界値問題（2つの極域と主イオン層領域）に分離可能であることを示唆する。これにより、グローバル電気回路およびイオン層ダイナモ場のモデリングが容易になる。

ABSTRACT

A model of the ionospheric global conductor is designed. The ionospheric conductor is considered in the framework of a two-dimensional approximation based on high conductivity in the direction of the magnetic field. Under this assumption the magnetic field lines are equipotential, and the charge transfer between them is determined only by integral Pedersen and Hall conductivities. The model is constructed as the first approximation in the small parameter expansion of the solution of the three-dimensional problems of electrical conductivity. The small parameter is the ratio of Pedersen and field-aligned conductivities. The space distributions of the Pedersen and Hall conductivities are calculated using the empirical models IRI, MSISE, IGRF and applied to construct the maps of the integral conductivities. The parts of the magnetosphere with high conductivity across the magnetic field lines, namely, the cusps and the plasma layer are analyzed. It is shown that the connection of these magnetospheric conductors to the ionosphere in parallel makes the auroral zones equipotential regions. As a consequence, for the ionospheric electric fields, which generators are located in the ionosphere or in the atmosphere, the global problem of electrical conductivity is separated into three independent boundary value problems in three regions: two polar caps and the main part of the ionosphere which includes the mid- and low-latitude parts of the ionosphere. The model can be used for the analysis of the ionospheric part of the Global Electric Circuit, for calculation of the ionospheric dynamo electric field and as a fragment in more complex ionospheric and magnetospheric models.

研究の動機と目的

• 大規模な電場および電流のシミュレーションを効率的に行うための、グローバルイオン層導体の簡略化された2次元モデルの開発。
• 高場方向導電率を有するイオン圏-磁圏系における電気的導電率のモデリングという課題に取り組む。
• グローバル電気的導電率問題を独立した境界値問題に分離することで、計算効率の向上と物理的洞察の強化を実現する。
• グローバル電気回路のイオン層部分およびイオン層ダイナモ電場の解析を支援する。
• より大規模なイオン層および磁圏モデルへの統合を可能にするフレームワークを提供する。

提案手法

• 3次元電気的導電率方程式の小パラメータ展開を用いる。小パラメータはPedersen導電率と場方向導電率の比である。
• 高場方向導電率を仮定し、磁場線が等電位であり、電流の場方向線間移動がPedersenおよびHall導電率に限られることを前提とする。
• PedersenおよびHall導電率の空間分布は、経験的モデルであるIRI、MSISE、IGRFを用いて計算し、統合導電率のグローバルマップを生成する。
• モデルは、コアスおよびプラズマ層に接続された磁圏導体と並列に接続された2次元導体としてのイオン層を扱い、オーロラ帯が等電位になることを示している。
• グローバル問題は、3つの独立した楕円型境界値問題（2つの極域と1つの主イオン層領域：中低緯度イオン層）に分解される。
• 数値解法は、オーロラ帯および赤道境界で混合型境界条件を有する2次元ポテンシャル方程式に有限差分法を適用することで実施される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イオン圏における3次元電気的導電率問題を、大規模電場モデリングに効果的に2次元近似に簡略化する方法は何か？
• RQ2 高導電率の磁圏領域（コアスおよびプラズマ層）がイオン層に接続された場合、オーロラ帯の電位構造にどのような影響を与えるか？
• RQ3 イオン層電場問題が極域と主イオン層領域の独立した境界値問題に分離される条件は何か？
• RQ4 水平スケールが100 kmを超える場合、小パラメータ展開に基づく2次元モデルは、完全な3次元解と比較してどの程度の精度を保っているか？
• RQ5 このモデルは、グローバル電気回路およびイオン層ダイナモ電場のシミュレーションをどのように改善できるか？

主な発見

• オーロラ帯は、高導電率の磁圏領域（コアスおよびプラズマ層）と並列に接続されると等電位領域となる。これはモデリングに向けた重要な簡略化である。
• グローバル電気的導電率問題は、3つの独立した境界値問題に分解される：2つの極域と1つの主イオン層領域（中低緯度イオン層）。各問題は固有の解を持つ。
• 3次元導電率問題の小パラメータ展開に基づく2次元モデルは、水平スケールが100 kmを超える範囲で最小限の誤差を伴い、有効な一次近似である。
• このモデルは、イオン層ダイナモ電場の正確な計算を可能とし、グローバル電気回路のイオン層部分の解析を支援する。
• この手法は、場方向電流およびそのイオン層電位分布への影響をシミュレートするため、より大規模なイオン層および磁圏モデルへの効率的統合を可能にする。
• モデルは磁気双極子近似のもとで安定であり、テスト計算による妥当性が確認されており、赤道およびオーロラ境界で境界条件を設定することで、赤道電流帯領域の誤差を最小限に抑える。