[論文レビュー] Interplay of Turbulence and Proton-Microinstability Growth in Space Plasmas

R. Bandyopadhyay, Ramiz A. Qudsi+14 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2020

Ionosphere and magnetosphere dynamics参考文献 43被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、空間プラズマにおける乱流と陽子ミクロ不安定性成長の競合を、線形不安定性成長率と局所的非線形時間スケールを比較することで調査する。ほとんどの領域では非線形時間が速いが、観測されたパラメータ空間の縁に近い極端な異方性条件下では、不安定性成長率が非線形時間と同等またはそれを上回ることが判明し、乱流による非線形性が存在するにもかかわらず、線形ミクロ不安定性理論が観測された異方性限界をうまく予測できる理由が説明される。

ABSTRACT

Numerous prior studies have shown that as proton beta increases, a narrower range of proton temperature anisotropy values is observed. This effect has often been ascribed to the actions of kinetic microinstabilities because the distribution of observational data aligns with contours of constant instability growth rates in the beta-anisotropy plane. However, the linear Vlasov theory of instabilities assumes a uniform background in which perturbations grow. The established success of linear-microinstability theories suggests that the conditions in regions of extreme temperature anisotropy may remain uniform for a long enough time so that the instabilities have the chance to grow to sufficient amplitude. Turbulence, on the other hand, is intrinsically non-uniform and non-linear. Thin current sheets and other coherent structures generated in a turbulent plasma, may destroy the uniformity fast enough. It is therefore not a-priori obvious whether the presence of intermittency and coherent structures favors or disfavors instabilities. To address this question, we examined the statistical distribution of growth rates associated with proton temperature-anisotropy driven microinstabilities and local nonlinear time scales in turbulent plasmas. Linear growth rates are, on average, substantially less than the local nonlinear rates. However, at the regions of extreme values of temperature anisotropy, near the "edges" of the populated part of the proton temperature anisotropy-parallel beta plane, the instability growth rates are comparable or faster than the turbulence time scales. These results provide a possible answer to the question as to why the linear theory appears to work in limiting plasma excursions in anisotropy and plasma beta.

研究の動機と目的

• 強い乱流が存在するにもかかわらず、線形ミクロ不安定性理論が観測された陽子温度異方性限界を正確に予測できる理由を解明すること。
• 乱流による間欠的構造やコherentlyな構造が、陽子ミクロ不安定性の成長を抑制するか、あるいは促進するかを評価すること。
• 複数の観測データおよびシミュレーションデータセットを用いて、乱流プラズマにおける局所的線形不安定性成長率と局所的非線形時間スケールを比較すること。
• 非線形性と間欠的性が顕著な現実的で非一様な乱流環境において、線形Vlasov理論の妥当性を評価すること。
• 乱流が存在する中で、ミクロ不安定性が陽子温度異方性を制御できるほど速く成長する条件を特定すること。

提案手法

• Vlasov-Maxwellモデルと二重マクスウェル速度分布関数を用いて、陽子温度異方性駆動型ミクロ不安定性の線形成長率を計算した。
• MMSおよびWindの宇宙飛行機による直接測定値（MMS, Wind）および3次元粒子-場（PIC）シミュレーションから得られる乱流エネルギー級進率に基づき、局所的非線形時間スケールを推定した。
• 太陽風、磁気シェーシュ、およびシミュレーテッド乱流プラズマの3つの異なるプラズマ状態において、線形成長率（Γ_max）と非線形時間スケール（ω_nl）の空間的分解能をもった比較を実施した。
• MMSおよびWindの宇宙飛行機データから得られた陽子速度分布関数に二重マクスウェル分布をフィッティングし、解析に用いるR_pおよびβ_∥pを抽出した。
• Γ_max > ω_nlとなるデータポイントの割合を統計解析により特定し、ミクロ不安定性成長に有利な条件を同定した。
• 結果の妥当性を確認するため、観測データ（MMS, Wind）および3次元PICシミュレーションの両方で検証を行い、異なるプラズマ状態およびモデリング手法にわたって一貫性があることを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 乱流を伴う空間プラズマにおいて、非線形時間スケールは通常、陽子ミクロ不安定性の成長率を上回るか、それ以下になるか？
• RQ2 特に極端な陽子温度異方性領域において、ミクロ不安定性成長率が非線形時間スケールと同等または速くなる条件は何か？
• RQ3 強い乱流と非一様性が存在するにもかかわらず、なぜ線形ミクロ不安定性理論は観測された陽子温度異方性の限界をうまく予測できるのか？
• RQ4 乱流プラズマに存在するコherentlyな構造や間欠的性は、ミクロ不安定性の寿命および振幅にどのように影響するか？
• RQ5 二重マクスウェル速度分布関数のような簡略化された仮定が、現実の空間プラズマにおける線形不安定性予測の正確さに及ぼす影響はどの程度か？

主な発見

• すべてのデータセットにおいて、平均して局所的非線形時間スケール（ω_nl）は、陽子ミクロ不安定性の最大線形成長率（Γ_max）よりも著しく速い。
• 極端な陽子温度異方性領域、特に観測された（R_p, β_∥p）パラメータ空間の縁に近い領域では、Γ_maxがω_nlと同等またはそれを上回るようになる。
• MMSデータでは、28%のサンプルで正の成長率（Γ_max > 0）が観測され、そのうち4%でΓ_max > ω_nlであった。Windデータでは、16%がΓ_max > 0、12%がΓ_max > ω_nlであった。
• 3次元PICシミュレーションでは、16%のデータポイントが不安定（Γ_max > 0）であり、そのうち11%でΓ_max > ω_nlであった。これは、極端な異方性条件が、不安定性が乱流と効果的に競合できる領域であることを示している。
• 結果から、ミクロ不安定性は、観測の縁に位置する最も極端な領域で、温度異方性を制御する可能性が最も高いことが示唆される。これは、線形理論が観測された境界をうまく予測できる理由を説明する。
• 本研究は、乱流が一般に長寿命の線形不安定性を抑制する一方で、局所的な高異方性条件が、不安定性の急速な成長を可能にし、乱流級進を妨げる可能性があることを強調している。