[論文レビュー] Alfven number for the Richtmyer-Meshkov instability in magnetized plasmas

Takayoshi Sano|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2021

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 36被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、磁化プラズマにおけるリヒトマイヤー＝メシュコフ不安定性（RMI）の挙動を予測する普遍基準として、アルヴェン数（RA）を導入する。2次元MHDシミュレーションにより、RA < 1のときRMIはローレンツ力によって抑制され、RA ≥ 1ではショックのマッハ数、アトウッド数、初期磁場の向き、界面の粗さにかかわらず、磁場が最大RA倍まで強化されることを示している。

ABSTRACT

Magnetohydrodynamical evolution of the Richtmyer-Meshkov instability (RMI) is investigated by two-dimensional MHD simulations. The RMI is suppressed by a strong magnetic field, whereas the RMI amplifies an ambient magnetic field by many orders of magnitude if the seed field is weak. We have found that the suppression and amplification processes can be evaluated continuously along with the amplitude of the Alfv\'en number $R_A$, which is defined as the ratio of the linear growth velocity of the RMI to the Alfv\'en speed at the interface. When the Alfv\'en number is less than unity, the Lorentz force acting on the fluid mitigates the unstable motion of the RMI significantly, and the interface oscillates stably in this limit. If $R_A \gtrsim 1$, on the other hand, the surface modulation increases due to the growth of the RMI. The maximum strength of the magnetic field is enhanced up to by a factor of $R_A$. This critical feature is universal and independent of the initial Mach number of the incident shock, the Atwood number, corrugation amplitude, and even the direction of the initial magnetic field.

研究の動機と目的

• 磁化プラズマにおけるリヒトマイヤー＝メシュコフ不安定性（RMI）に及ぼす磁場の影響を予測する普遍的基準を特定すること。
• 磁場の強さや配置に応じて、RMIがどのように抑制または増幅されるかを調査すること。
• RMIの非線形的発展が、初期条件に依存しない唯一の無次元パラメータによって支配されるかどうかを同定すること。
• RMI駆動型磁場増強が、星間空間の乱流および超新星ショック波動力学に与える影響を検討すること。

提案手法

• 一様な初期磁場を有するRMIの2次元理想MHDシミュレーションを実施する。
• アルヴェン数RAを、界面における線形RMI成長速度とアルヴェン速度の比として定義する。
• 磁場の接線成分を含むMHD用の正確なリーマン解法を用いた、保存則型ゴドノフ型数値スキームを採用する。
• RA基準の頑健性を評価するために、単一モードおよび多モードの表面粗さを解析する。
• ショック伝播方向に対して平行および垂直な磁場配向をそれぞれ検討する。
• プラズマベータβ0を用いて初期磁場強度を変化させ、ショックマッハ数、密度対比、初期磁場強度の違いを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁場によるRMIの抑制または増幅を予測する、唯一の無次元パラメータが存在するか？
• RQ2 アルヴェン数RAが、RMIの抑制と磁場増強の間の遷移をどのように制御するか？
• RQ3 臨界閾値RA ≈ 1が、初期ショックマッハ数、アトウッド数、磁場方向に依存しないか？
• RQ4 多モード表面変調が、RAに従った磁場増強スケーリングにどの程度影響を及ぼすか？
• RQ5 増強された磁場の統計的性質は、星間乱流におけるものとどの程度類似しているか？

主な発見

• RA < 1のとき、ローレンツ力がRMI成長を強く抑制し、安定な界面振動が生じる。
• RA ≥ 1のとき、RMIが周囲磁場を顕著に増強し、最大磁場強度がRA倍まで向上する。
• 臨界閾値RA ≈ 1は普遍的であり、初期ショックマッハ数、アトウッド数、界面粗さの振幅、磁場方向に依存しない。
• 多モードシミュレーションにおいても、磁場のパワー則分布（P(|B|/B0) ∝ |B|−1.7）が単一モードの場合と一致する。
• 磁場増強メカニズムは頑健で、星間乱流のシミュレーションと整合的であり、RMIが星間磁場の進化を駆動する要因である可能性を示唆する。
• アルヴェン数RAは、多様なプラズマ配置においてRMI挙動を予測する統一的な枠組みを提供する。