[論文レビュー] Magnetic reconnection: from the Sweet-Parker model to stochastic plasmoid chains

Nuno Loureiro, Dmitri Uzdensky|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2015

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、長年にわたり広く受け入れられてきたサウス・パーカー模型に疑問を呈し、磁気再結合の再定義を試みる。現在のシートが強力なプラズモイド（引き裂き）不安定性にさらされ、その結果としてプラズモイドの確率的連鎖が発生し、高速で断続的な再結合が生じることを示している。主な貢献は、大規模系において再結合が本質的に高速かつ時間依存的であることを確立し、ルンシュトローム数に依存しないことである。これは、高Sプラズマにおける高速再結合の長年のパラドックスを解消するものである。

ABSTRACT

(abridged) Magnetic reconnection is the topological reconfiguration of the magnetic field in a plasma, accompanied by the violent release of energy and particle acceleration. Reconnection is as ubiquitous as plasmas themselves, with solar flares perhaps the most popular example. Over the last few years, the theoretical understanding of magnetic reconnection in large-scale fluid systems has undergone a major paradigm shift. The steady-state model of reconnection described by the famous Sweet-Parker (SP) theory, which dominated the field for ~50 years, has been replaced with an essentially time-dependent, bursty picture of the reconnection layer, dominated by the continuous formation and ejection of multiple secondary islands (plasmoids). Whereas in the SP model reconnection was predicted to be slow, a major implication of this new paradigm is that reconnection in fluid systems is fast (i.e., independent of the Lundquist number), provided that the system is large enough. This conceptual shift hinges on the realization that SP-like current layers are violently unstable to the plasmoid instability - implying, therefore, that such current sheets are super-critically unstable and thus can never form in the first place. This suggests that the formation of a current sheet and the subsequent reconnection process cannot be decoupled, as is commonly assumed. This paper provides an introductory-level overview of the recent developments in reconnection theory and simulations that led to this essentially new framework. We briefly discuss the role played by the plasmoid instability in selected applications, and describe some of the outstanding challenges that remain at the frontier of this subject. Amongst these are the analytical and numerical extension of the plasmoid instability to (i) 3D and (ii) non-MHD regimes. New results are reported in both cases.

研究の動機と目的

• 高ルンシュトローム数プラズマにおける高速磁気再結合の長年のパラドックスを解消すること。サウス・パーカー模型は、再結合が遅いと予測しているが、実際には高速である。
• 太陽フレア、ジオマグネティックストーム、核融合装置における観測された高速再結合率、爆発的発火、効率的なエネルギー変換を説明すること。
• 大規模再結合において、定常状態のサウス・パーカー現在シートに代わって、プラズモイド不安定性が支配的メカニズムであることを確立すること。
• プラズモイド不安定性の枠組みを3次元幾何構造および非MHD領域に拡張し、半衝突的および半衝突なき的キネティック効果を含むこと。
• 従来のモデルで再結合と現在シート形成が分離されているのを解消する、統一的かつ時間依存的な再結合の図式を提供すること。

提案手法

• サウス・パーカー模型の予測を分析し、その根本的欠陥を特定する。現在シートは、プラズモイド（引き裂き）不安定性に対して超臨界定常的であるため、形成されない。
• 抵抗性MHDにおけるプラズモイド不安定性の成長率、波数、島幅のスケーリング則を導出する。半衝突的および半衝突なき的状態では、γ_max ∝ S^{3/2} および δ_in ∝ L (d_e/L)^{2/3}(ρ_s/L)^{1/3} が成り立つ。
• 次元的およびスケーリング的議論を用いて、プラズモイド不安定性を3次元幾何構造に拡張し、3次元的現在シートにおける新たな不安定性特性を明らかにする。
• 電子慣性および有限ラーミオル半径効果を組み込んだ、半キネティック状態への解析的拡張を導出する。
• 数値シミュレーションおよび理論的モデリングを用いて、プラズモイド連鎖が再結合ダイナミクスを支配し、定常状態のサウス・パーカー層に取って代わることを示す。
• 新しいプラズモイド支配の枠組みと従来のサウス・パーカー枠組みを比較し、大規模系において再結合が本質的に断続的かつ高速であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高ルンシュトローム数プラズマにおいて、サウス・パーカー模型が遅い再結合を予測するのに対し、なぜ磁気再結合が高速で起こるのか？
• RQ2 どのようなメカニズムがサウス・パーカー現在シートを不安定化させ、現実的大規模系ではその形成を妨げるのか？
• RQ3 プラズモイド不安定性は、太陽フレアやサブストームの爆発的性質を説明する時間依存的かつ断続的な再結合プロセスをどのように生じさせるのか？
• RQ4 プラズモイド不安定性は、3次元幾何構造および半衝突的・半衝突なき的プラズマのような非MHD状態に拡張可能か？
• RQ5 異なるプラズマ状態におけるプラズモイドの成長率、波長、島サイズのスケーリング則は何か？また、それらはルンシュトローム数にどのように依存するか？

主な発見

• サウス・パーカー現在シートは、プラズモイド（引き裂き）不安定性に対して超臨界定常的であるため、大規模系では形成不可能であり、定常状態仮定が無効である。
• 大規模系における再結合は高速であり、ルンシュトローム数に依存しない。抵抗性MHDでは、γ_max ∝ S^{3/2} とスケーリングされ、高速再結合のパラドックスが解消される。
• 半衝突的状態では、最大成長率は γ_max ∝ (V_A/L)(d_e/L)(ρ_s/L)S^{3/2} とスケーリングされ、最も不安定なモードは k_max ∝ L^{-1}(d_e/L)^{2/3}(ρ_s/L)^{1/3}S を満たす。
• 半衝突なき的状態では、スケーリングは γ_max ∝ S^{3/2} のまま維持されるが、電子慣性およびイオン音速スケールに依存し、δ_in^semi-collisionless ∝ L(d_e/L)^{2/3}(ρ_s/L)^{1/3} と表される。
• 3次元幾何構造におけるプラズモイド不安定性は、複雑で確率的なプラズモイド連鎖を生じさせ、2次元予測とは異なった不安定性閾値および成長率を示す。
• 半キネティック状態への解析的拡張により、電子慣性および有限ラーミオル半径効果が、衝突性が低い状態でも高速再結合を維持できることを確認した。これは、太陽コロナおよび核融合実験への適用可能性を支持する。