[論文レビュー] Identification and characterization of current sheets in collisionless plasma turbulence

Amirhassan Chatraee Azizabadi, Neeraj Jain+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2020

Ionosphere and magnetosphere dynamics参考文献 68被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、Zhdankinら（2013）のMHDに基づく電流シート同定アルゴリズムを、衝突なしプラズマ乱流の2次元ハイブリッド・キネティックシミュレーションに拡張し、ノイズの多いキネティック環境における電流シートの自動検出と特徴化を可能にした。主な発見は、電流シートがイオン慣性長より小さいスケールにまで薄くなることで、テアリングモードや電子スケール物理学への不安定性の可能性を示唆しているが、その動的挙動を完全に解明するには電子慣性を含む3次元シミュレーションが必要である。

ABSTRACT

The properties of current sheets forming in a ion-kinetically turbulent collisionless plasma are investigated by utilizing the results of two-dimensional hybrid-kinetic numerical simulations. For this sake the algorithm proposed by Zhdankin et al. (2013) for the analysis of current sheets forming in MHD-turbulent plasmas, was extended to analyse the role and propertes of current sheets formating in a much noisier kinetically turbulent plasma. The applicability of this approach to the analysis of kinetically-turbulent plasmas is verified. Invesigated are, e.g., the effects of the choice of parameters on the current sheet recognition, viz. the threshold current density, the minimum current density and of the local regions around current density peaks. The main current sheet properties are derived, their peak current density, the peak current carrier velocity (mainly electrons), the thickness and length of the current sheets, i.e. also their aspect ratio (length/thickness). By varying the grid resolution of the simulations it is shown that, as long as the electron inertia is not taken into account, the current sheets thin down well below ion inertial length scale until numerical (grid-resolution based) dissipation stops any the further thinning.

研究の動機と目的

• ノイズが強く、キネティックスケールのプラズマ乱流における電流シートを自動同定するためのアルゴリズムを開発・検証すること。
• ハイブリッド・キネティックシミュレーションにおける電流シートの性質（ピーク電流密度、厚さ、長さ、アスペクト比）を特徴付けること。
• アルゴリズムのパラメータ（しきい値電流密度、局所領域サイズ、最小電流密度）が同定の信頼性に与える影響を評価すること。
• 数値解像度が電流シートの薄まりに与える影響と、電子スケール物理学が不安定化の原因となる役割を評価すること。

提案手法

• 衝突なしプラズマ乱流の2次元ハイブリッド・キネティックシミュレーションに、Zhdankin ら（2013）のMHD電流シート検出アルゴリズムを適用した。
• Pythonベースのコードを実装し、定義された局所領域サイズ n 内で、しきい値 Jthr を超える局所的電流密度最大値を検出した。
• 電流シートの境界を、最小電流密度しきい値 Jmin,i = Jmax,i / 2 として定義し、ピークに接続されるようにした。
• ヘッセ行列の主要固有ベクトルの向きを用いて電流シートの厚さを計算し、電流密度の半最大幅を測定した。
• 電流シートの長さを、2次元断面内の任意の2点間の最大距離として定義した。
• グリッド解像度と粒子数を変化させ、数値収束性および電流シートの薄まりの限界をテストした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アルゴリズムパラメータ（Jthr, n, Jmin,i）の選択が、キネティック乱流における電流シートの同定に与える影響はいかほどか？
• RQ2 2次元ハイブリッド・キネティックプラズマ乱流で形成された電流シートの統計的性質（厚さ、長さ、アスペクト比）は何か？
• RQ3 電子慣性がない状況で、電流シートはイオン慣性長スケール未満までどれほど薄くなるか？
• RQ4 電流シートの薄まりは不安定性を引き起こす可能性があるか？また、電子スケール物理学および電子・イオンの流れの相対速度はどのような役割を果たすか？
• RQ5 数値解像度およびグリッドベースの散逸が、観測される電流シートの形状に与える影響は？

主な発見

• 電子慣性を含まない状況では、2次元ハイブリッド・キネティックシミュレーションにおける電流シートは、グリッド解像度の限界まで薄くなることがわかった。
• 電子スケール物理学が欠落しているにもかかわらず、電流シートは平均してアスペクト比約20を示し、イオンスケールの厚さでも同様であった。
• アルゴリズムの性能はパラメータの選択に敏感であり、信頼性の高い検出には、Jthr, n, Jmin,i のケースバイケースのキャリブレーションが必要である。
• ピーク電流密度と電子支配の電流キャリア速度は、電流シートの動的挙動を示す重要な指標である。
• アスペクト比が20を超える薄い電流シートは、電子せん断流れ不安定性のようなテアリング型不安定性に起因する可能性がある。
• 理論的推定によれば、電子スケール電流シートでは電子・イオンの相対速度 |uez/uiz| ≫ 1 が成立し、不安定性の主要な自由エネルギー源が存在することが示唆された。