[論文レビュー] Magnetosphere-Ionosphere Coupling in the Region of Auroral Electrojets

P. A. Sedykh, E. A. Ponomarev|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2001

Earthquake Detection and Analysis参考文献 3被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、対流およびピッチ角拡散によって駆動される磁気圏体積電流が、磁場に沿った電流を生成し、それらが電離圏に結合してオーロラ電流帯を形成すると提案する。ケネルの1969年のモデルを適用・拡張することで、著者らは磁気圏が外部源（例えば太陽風）からのエネルギーと電流を、電離圏での散逸に至るまで再配分する役割を果たすことを示している。MHD圧縮機・発電機系が、時間遅れフィードバックループを介してこの移動を媒介している。

ABSTRACT

We discuss the question as to how the magnetospheric energy source feeds the ionospheric current system. It is shown that a consistent application and further development of Kennel's ideas makes it possible to successfully solve the magnetosphere-ionosphere coupling problem in regard to the formation of auroral electrojets by steady volume currents generated in the magnetosphere by the magnetospheric MHD generator in the case of a simple model which, nevertheless, retains the essential features of the reality. It is concluded that the whole of the complicated magnetospheric ''design'' only acts to redistribute, in space and time, currents and energy fluxes which must be supplied by external sources to feed the dissipative processes in the ionosphere.

研究の動機と目的

• 太陽風から電離圏へのエネルギーおよび電流移動の物理的根拠に基づくメカニズムを提供することで、磁気圏物理学における概念的危機を解消すること。
• 粘性モデルや再結合モデルが完全に説明できない、太陽風相互作用からオーロラ電流帯形成までの連続的で整合性のある物理的連鎖の欠如に応えること。
• 磁気圏の複雑な構造が主に電流とエネルギーを再分配することを目的としており、それらを生成することではないことを示すこと。
• 磁気圏プラズマ圧勾配と電離圏電流帯との間の定量的関係を、磁場に沿った電流を介して確立すること。
• 時間遅れを含むMHDプロセスを用いて、電離圏の導電度、磁気圏電流系、外部駆動要因の間の動的フィードバックをモデル化すること。

提案手法

• 対流およびピッチ角拡散を用いて、磁気圏フラックスチューブ内の定常状態プラズマ圧分布をモデル化するため、ケネル（1969）の枠組みを適応する。
• 気体圧最大値が真夜中の子午面付近に「アムファシテーター」形状を形成することを記述する式 $ p_g = p_g^0 (L_\infty / L)^{20/3} \exp(-5/3 \int dt / \tau) $ を使用する。
• プラズマ圧の動的変化をモデル化するための時間依存境界条件を導入し、太陽風駆動のインパルスを模倣する。
• 磁気圏をMHD発電機および圧縮機系としてモデル化し、プラズマ伝送に起因する時間遅れを含めた電流連続条件 $ J_1(t) - qJ_1(t - \Delta T) = qJ_B(t - \Delta T) - J_\sigma(t) $ を適用する。
• 定常状態で $ J_B = J_\sigma $ が導かれる重要な関係を導出し、電離圏散逸が内部磁気圏プロセスではなく外部電流供給に依存することを証明する。
• $ dJ_s/dt \sim (J_B - J_\sigma)/\Delta T $ を用いてクロスタイル電流ダイナミクスを分析し、電流の増加または減少が外部電流と電離圏電流のバランスに依存することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 対流およびピッチ角拡散が磁気圏でどのように磁場に沿った電流を生成し、それらが電離圏電流帯を駆動するのか？
• RQ2 プラズマ圧勾配がオーロラ電流帯電流系の空間的構造を形成する上で果たす役割は何か？
• RQ3 磁気圏がエネルギーと電流を外部源から電離圏に再分配するが、それらを生成しない場合、その再分配機構はどのように機能するのか？
• RQ4 磁気圏電流系における時間遅れの意義は何か？ そして、それらがクロスタイル電流の安定性およびダイナミクスに与える影響は？
• RQ5 MHD圧縮機と発電機系の間の結合が、電離圏への電流およびエネルギー移動をどのように制御するのか？

主な発見

• 磁気圏プラズマ圧分布は、真夜中の子午面付近に最大値を持つ「アムファシテーター」形状を形成し、それが電離圏にオーロラ帯として投影される。
• プラズマシートの内縁（IEPS）は圧力の急激な低下に対応し、電流帯形成領域の境界を示す。
• モデルは、境界圧力の上昇（例：太陽風によるもの）が対流速度に従って地球側へ伝播し、その尾行に二重振幅領域を維持することを予測する。
• 定常状態条件 $ J_B = J_\sigma $ は、電離圏散逸が内部磁気圏プロセスではなく外部電流注入に依存して維持されることを証明する。
• 時間遅れフィードバックループ $ J_1(t) - qJ_1(t - \Delta T) = qJ_B(t - \Delta T) - J_\sigma(t) $ は、電離圏導電度の変化に対するクロスタイル電流の動的応答を説明する。
• $ J_B > J_\sigma $ の場合、クロスタイル電流は増加し、磁場が尾部にまで延びる。一方 $ J_\sigma > J_B $ の場合、磁場は二重極子型を示し、オーロラ粒子降着によって駆動されるフィードバック機構が存在することを示す。