[論文レビュー] Double layer electric fields aiding the production of energetic flat-top distributions and superthermal electrons within the exhausts from magnetic reconnection

J. Egedal, W. Daughton+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2015

Plasma Diagnostics and Applications参考文献 44被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、磁気リコネクションの排出部における磁場に沿った電場（E∥）が、大規模な電子加速を可能にし、超熱的電子および平坦型位相空間分布を生成することを示している。このメカニズムは、βₑ∞ < 0.02 のとき非断熱的電子運動が駆動され、E∥に閉じ込められた領域内で垂直電場（E⊥）による持続的加速を可能にし、地球の磁気圏尾部における実測観測と一致する。太陽フレアにおける電子加速の説明にも役立つ。

ABSTRACT

Using a kinetic simulation of magnetic reconnection it was recently shown that magnetic-field-aligned electric fields (E||) can be present over large spatial scales in reconnection exhausts. The largest values of E|| are observed within double layers. The existence of double layers in the Earth's magnetosphere is well documented. In our simulation their formation is triggered by large parallel streaming of electrons into the reconnection region. These parallel electron fluxes are required for maintaining quasi-neutrality of the reconnection region and increase with decreasing values of the normalized electron pressure upstream of the reconnection region. A threshold normalized pressure is derived for strong double layers to develop. We also document how the electron confinement, provided in part by the structure in E||, allows sustained energization by perpendicular electric fields. The energization is a consequence of the confined electrons' chaotic orbital motion that includes drifts aligned with the reconnection electric field. The level of energization is proportional to the initial particle energy and therefore is enhanced by the initial energy boost of the acceleration potential, acquired by electrons entering the region. The mechanism is effective in an extended region of the reconnection exhaust allowing for the generation of superthermal electrons in reconnection scenarios, including those with only a single x-line. An expression for the phase-space distribution of the superthermal electrons is derived, providing an accurate match to the kinetic simulation results. The numerical and analytical results agree with detailed spacecraft observations recorded during reconnection events in the Earth's magnetotail.

研究の動機と目的

• 空間プラズマで観測される大規模な電子加速と、限界的なキネティックスケールの散逸領域との間に生じる矛盾を解消すること。
• 単一のxライン磁気リコネクションにおいて、電子加速がどのように広範囲にわたって持続可能であるかを調査すること。
• 非断熱的平行電子運動およびE∥構造が、持続的電子加熱を可能にする役割を特定すること。
• キネティックシミュレーションおよび実測観測と一致する超熱的電子の位相空間分布を記述する解析的モデルを導出し、検証すること。

提案手法

• 反平行磁場リコネクションのキネティック粒子-場（PIC）シミュレーションを用い、排出部における電子運動をモデル化する。
• 電荷分離を用いた大規模なE∥構造の特定を行い、局所的電場を持つ二重層構造であることを確認する。
• 低磁場領域における混沌とした電子軌道にもかかわらず、ガイドセンター近似を用いて電子加速率を推定する。
• 電子のバウンス軌道ごとのエネルギー増加に関する解析的式を導出し、E∥による閉じ込めとE⊥による加熱を結びつける。
• 地球の磁気圏尾部からの実測データと、シミュレートされた電子分布関数を比較する。
• 二重層形成の閾値を、上流の電子ベータ（βₑ∞ < 0.02）に基づいて導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 限界的な散逸領域を超えて、単一xライン磁気リコネクションにおいて大規模な空間スケールで超熱的電子集団が生成可能か？
• RQ2 混沌とした電子運動が続くにもかかわらず、リコネクション排出部でどのようにして持続的電子加速が実現可能か？
• RQ3 二重層型電場（E∥）は、排出部における電子の閉じこめと加速にどのように寄与するか？
• RQ4 強い二重層形成と効果的電子加速を引き起こすために、上流の電子ベータ（βₑ∞）の臨界閾値は何か？
• RQ5 シミュレートされた電子位相空間分布は、地球の磁気圏尾部における有人宇宙機器の実測観測とどの程度一致するか？

主な発見

• βₑ∞ < 0.02 のとき、リコネクション排出部に大規模な二重層型電場（E∥）が形成され、最大のE∥値は二重層内に局在化する。
• E∥構造は電子を排出部に閉じ込め、複数回のバウンス軌道を可能にし、垂直電場（E⊥）による持続的加速を実現する。
• 電子加速は初期粒子エネルギーに比例し、平行加速ポテンシャル eΦ∥ = e∫E∥dl によって強化され、超熱的電子集団が生成される。
• 超熱的電子の位相空間分布に関する導出式は、キネティックシミュレーション結果と高い精度で一致する。
• シミュレーションおよび解析的結果は、地球の磁気圏尾部における有人宇宙機器の実測観測と強く一致しており、特にリコネクションイベント時において顕著である。
• このメカニズムは、βₑ∞が同様に低いと予想される太陽フレアなどの大規模系にも適用可能であり、長期間にわたるハードX線源の説明に役立つ。