[論文レビュー] Electron-only Reconnection in Ion-scale Current Sheet at the Magnetopause

S. Y. Huang, Q. Y. Xiong+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2021

Ionosphere and magnetosphere dynamics参考文献 36被引用数 46

ひとこと要約

本研究では、地球の磁気圏境界面におけるイオンスケールの電流シートで、最初のイン・サイト観測として電子のみの磁気再結合イベントを、高分解能のMMSデータを用いて報告する。電流シートの厚さが約4イオン慣性長（di）であるにもかかわらず、内側の電子拡散領域（EDR）はXラインから少なくとも40 diの下流まで延長されており、バーストイオン噴流は観測されなかった。これは、イオンの参加なしにエネルギー散逸と電子加速が生じることを示し、標準的な再結合モデルに挑戦するものである。

ABSTRACT

In the standard model of magnetic reconnection, both ions and electrons couple to the newly reconnected magnetic field lines and are ejected away from the reconnection diffusion region in the form of bidirectional burst ion and electron jets. Recent observations propose a new model: electron only magnetic reconnection without ion coupling in electron scale current sheet. Based on the data from Magnetospheric Multiscale (MMS) Mission, we observe a long extension inner electron diffusion region (EDR) at least 40 di away from the X line at the terrestrial Magnetopause, implying that the extension of EDR is much longer than the prediction of the theory and simulations. This inner EDR is embedded in an ion scale current sheet (the width of 4 di, di is ion inertial length). However, such ongoing magnetic reconnection was not accompanied with burst ion outflow, implying the presence of electron only reconnection in ion scale current sheet. Our observations present new challenge for understanding the model of standard magnetic reconnection and electron only reconnection model in electron scale current sheet.

研究の動機と目的

• 磁気圏境界面におけるイオンスケールの電流シートにおける磁気再結合の性質を調査すること、特にこのような条件下で電子のみの再結合が生じるかどうかを明らかにすること。
• 観測された電子拡散領域（EDR）が標準的な再結合と整合しているか、それとも新たな領域を示しているかを特定すること。
• イオンスケールの電流シートにおいて、長く延長されたEDRが存在するにもかかわらず、バーストイオン噴流が観測されない理由を検討すること。
• 従来の再結合モデルに挑戦するため、以前はイオン結合を必要とされると思われていた領域で電子のみの再結合が生じることを同定すること。

提案手法

• 磁気圏マルチスケール（MMS）ミッションの高分解能イン・サイト測定データ（FGM、EDP、FPI）を用いた。
• 電流シート通過時のLMN座標系を定義するために最小分散分析（MVA）を実施した。
• 電子の非ギャロア運動、超アルフエニウス的電子流れ、平行電場、および正のエネルギー散逸（J•E' > 0）といった特徴を用いて、内側のEDRを同定した。
• 4機のMMS衛星における時系列解析を実施し、EDRおよび電流シートの厚さと延長を推定した。
• Liuら（2017年）およびNakamuraら（2018年）の式を用いて再結合率を計算し、過去の観測と整合した。
• 分離子線通過からの磁場ベクトルのコーン角推定を用いて、XラインからのEDR延長を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イオンスケールの電流シートにおいて、電子のみの再結合が生じるのではなく、電子スケールの電流シートでのみ生じるのだろうか？
• RQ2 イオンスケールの電流シートにおける内側の電子拡散領域（EDR）の空間的延長はどの程度であり、理論的予測を上回るのか？
• RQ3 イオンスケールの電流シートにおいて、明確なホール電場シグネチャーとwell-definedなEDRが存在するにもかかわらず、なぜバーストイオン噴流が観測されないのか？
• RQ4 観測されたEDR延長（約40 di）は、理論的およびシミュレーション的期待値と比べてどのようになるのか？
• RQ5 イオンスケールの電流シートで電子のみの再結合を可能にするメカニズムは何か？また、それらは標準的な再結合とどのように異なるのか？

主な発見

• 内側の電子拡散領域（EDR）はXラインから少なくとも40イオン慣性長（di）の下流まで延長されており、通常の理論的予測をはるかに上回っている。
• EDRは厚さが約4 di（約165.5 km）のイオンスケールの電流シートに埋め込まれており、イオンが参加することが予想される領域での再結合を示している。
• 明確なホールシグネチャー（バイポーラ的ホール電場、四極子的垂直方向磁場、ホール電流）が観測されたが、バーストイオン噴流は観測されず、電子のみの再結合であると示唆された。
• EDRは超アルフエニウス的電子流れ（LおよびM方向で最大-300 km/sおよび400 km/s）、電子非ギャロア運動、および正のエネルギー散逸（J•E' > 0）を示し、内側EDRとしての同定が確認された。
• EDRの推定厚さは約0.54 di（約22 kmまたは約22 de）であり、内側EDRの特徴と整合的であった。
• 再結合率は0.021から0.034の間であった。これは過去の観測および理論的期待値と整合的であった。