[論文レビュー] Electron Crescent Distributions as a Manifestation of Diamagnetic Drift in an Electron‐Scale Current Sheet: Magnetospheric Multiscale Observations Using New 7.5 ms Fast Plasma Investigation Moments

A. C. Rager, J. Dorelli+17 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2017

Ionosphere and magnetosphere dynamics参考文献 19被引用数 62

ひとこと要約

本研究では、MMS Fast Plasma Investigation（FPI）の7.5 ms解像度電子モーメントデータを用いて、磁気再結合近傍の電子スケール電流層における電子クレセント分布が、主に圧力勾配に起因するダイアマグネティックドリフトによるものであり、メアリンディング軌道によるものではないことを示した。結果から、E×Bドリフトからのずれは電子ダイアマグネティックドリフトによって説明され、大きな電場変動が生じる間、7.5 ms解像度で電子運動量方程式が破綻していることが示され、標準的な流体モデルでは説明できない複雑なマイクロ物理学が関与している可能性がある。

ABSTRACT

We report Magnetospheric Multiscale observations of electron pressure gradient electric fields near a magnetic reconnection diffusion region using a new technique for extracting 7.5 ms electron moments from the Fast Plasma Investigation. We find that the deviation of the perpendicular electron bulk velocity from $E imes B$ drift in the interval where the out-of-plane current density is increasing can be explained by the diamagnetic drift. In the interval where the out-of-plane current is transitioning to in-plane current, the electron momentum equation is not satisfied at 7.5 ms resolution.

研究の動機と目的

• 磁気再結合近傍の電子スケール電流層で観測された電子クレセント分布の物理的起源を特定すること。
• 非ギャロトロピックな電子分布が、メアリンディング軌道ではなくダイアマグネティックドリフトによって駆動されているかどうかを検証すること。
• 7.5 ms解像度での電子モーメント抽出手法の妥当性を検証し、イオンスケール未満のプラズマダイナミクスを解像すること。
• 再結合拡散領域における7.5 ms解像度での電子運動量方程式の有効性を評価すること。

提案手法

• MMS Fast Plasma Investigation（FPI）の生データから7.5 ms解像度の電子モーメントを抽出するための新しいアルゴリズムを開発し、従来の30 ms製品に比べて時間分解能を向上させた。
• 誘導中心ドリフトのフレームで電子運動量方程式を分析し、ギャロトロピックおよび非ギャロトロピック圧力テンソル成分に分離した。
• 電子圧力テンソルを垂直および平行成分に分解し、ダイアマグネティックドリフトの寄与を分離した。
• E×Bドリフト、観測されたバルク速度、圧力勾配の時間分解能比較を通じて、ダイアマグネティックドリフトによって説明されるずれを特定した。
• 非ギャロトロピック圧力テンソルの発散を評価し、運動量不均衡の原因としてのその役割を除外した。
• 高解像度データを用いて、大きな電場変動が生じる間の電子運動量方程式における不一致を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された電子クレセント分布の原因は何か。それはダイアマグネティックドリフトによるものか、それともメアリンディング軌道によるものか。
• RQ2 7.5 ms解像度の電子モーメントは、30 ms解像度で平均化されてしまう微視的プロセスを解像できるか。
• RQ3 再結合拡散領域における7.5 ms解像度で、電子運動量方程式はどの程度成立しているか。
• RQ4 電子バルク速度がE×Bドリフトからずれる原因は、垂直圧力勾配に起因する電子ダイアマグネティックドリフトによって説明できるか。
• RQ5 大振幅の電場変動が、高時間解像度での電子運動量方程式の破綻に果たす役割は何か。

主な発見

• 13:07:01.199 UT から 13:07:02.180 UT の間、電子の垂直バルク速度がE×Bドリフトからずれる主な原因は、垂直圧力勾配に起因する電子ダイアマグネティックドリフトである。
• 7.5 ms解像度の電子モーメント手法により、垂直バルク速度のより細かい時間的構造が回復され、E×Bドリフトとの整合性が向上し、アルゴリズムの妥当性が裏付けられた。
• 大きな電場変動が生じる間（13:07:02.2 UT 以降）、7.5 ms解像度で電子運動量方程式が満たされないことが示され、解明されていないマイクロ物理学的要因が関与している可能性がある。
• 圧力テンソルの非ギャロトロピック成分は運動量不均衡を説明できず、その直接的な役割は除外された。
• 観測されたクレセント分布は、大きな電場変動の発生よりも前に発現しており、これはダイアマグネティックドリフトの兆候であると考えられ、エネルギー散逸とは無関係である。
• クレセント状態の間、顕著な磁場エネルギー散逸（J·E′ ≈ 0）が観測されなかったことから、クレセント分布が活性な再結合を示すという仮定に反する結果となった。