[論文レビュー] Observations of an Electron-cold Ion Component Reconnection at the Edge of an Ion-scale Antiparallel Reconnection at the Dayside Magnetopause

Siqi Zhao, Hui Zhang+12 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2021

Ionosphere and magnetosphere dynamics参考文献 49被引用数 5

ひとこと要約

2015年9月11日のMMS現地観測を用いて、この研究では、昼側磁気圏衝撃面におけるイオンスケール反平行再結合の縁で、二次的で電子的・冷たいイオン再結合が発生していることを特定した。この過程は、冷たいイオン（10–500 eV）と電子に支配されており、高温イオンの反応は認められず、強いガイド磁場下で反平行再結合と成分再結合が同時に作用している最初の観測的証拠を提供する。

ABSTRACT

Solar wind parameters play a dominant role in reconnection rate, which controls the solar wind-magnetosphere coupling efficiency at Earth's magnetopause. Besides, low-energy ions from the ionosphere, frequently detected on the magnetospheric side of the magnetopause, also affect magnetic reconnection. However, the specific role of low-energy ions in reconnection is still an open question under active discussion. In the present work, we report in situ observations of a multiscale, multi-type magnetopause reconnection in the presence of low-energy ions using NASA's Magnetospheric Multiscale data on 11 September 2015. This study divides ions into cold and hot populations. The observations can be interpreted as a secondary reconnection dominated by electrons and cold ions located at the edge of an ion-scale reconnection. This analysis demonstrates a dominant role of cold ions in the secondary reconnection without hot ions' response. Cold ions and electrons are accelerated and heated by the secondary process. The case study provides observational evidence for the simultaneous operation of antiparallel and component reconnection. Our results imply that the pre-accelerated and heated cold ions and electrons in the secondary reconnection may participate in the primary ion-scale reconnection affecting the solar wind-magnetopause coupling and the complicated magnetic field topology affect the reconnection rate.

研究の動機と目的

• 低エネルギーイオンが磁気圏衝撃面再結合に果たす役割、特に再結合速度およびメカニズムに与える影響を調査すること。
• 冷たいイオンがイオンスケール再結合の縁で二次的再結合プロセスを開始または支配できるかどうかを特定すること。
• 強いガイド磁場下で、単一の事象において反平行再結合と成分再結合が共存しているかを検討すること。
• 冷たいイオン支配の再結合がプラズマ加熱および加速に与える影響、および一次再結合に与えるフィードバックの可能性を評価すること。
• 冷たいイオンが再結合を強化するか抑制するかという未解決の問題を、その運動および場のトポロジーを分析することで解明すること。

提案手法

• 2015年9月11日における磁気圏衝撃面通過時におけるMagnetospheric Multiscale（MMS）ミッションの現地多探査機観測を用いた。
• エネルギーおよびジロ半径スケールに基づき、イオン集団を冷たい（10–500 eV）と高温（500–30,000 eV）に分離することでマルチスケール解析を実施した。
• ウォーレン関係および電流連続性解析を用いて、電子・冷たいイオン再結合の電流シートを特定し、YGSEおよびXGSE平面におけるその力学的性質を確認した。
• 磁場およびプラズマデータを用いて、強いガイド磁場（BM,e−ci−M1/Bph ≈ 5.7）の存在を同定し、成分再結合を示した。
• 一般化されたオームの法則解析を実施し、冷たいイオンの対流および密度が電場および再結合力学に与える影響を評価した。
• 二次的再結合からのプラズマ噴流（電子および冷たいイオン）を冷たいイオンのアルベール速度と比較することで、冷たいイオンの力学的支配を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 冷たいイオン（10–500 eV）は、イオンスケール反平行再結合の縁で二次的再結合プロセスを駆動できるか？
• RQ2 高温イオンが存在しない状況で、冷たいイオンが再結合電場および再結合速度に与える影響は何か？
• RQ3 強いガイド磁場下で、成分再結合（ガイド磁場を伴う）と反平行再結合が、同時に1つのマルチスケール事象で発生しているか？
• RQ4 二次的再結合領域で、冷たいイオンと電子はどのように加速および加熱されるか？
• RQ5 二次的再結合から事前に加速された冷たいイオンおよび電子が、一次のイオンスケール再結合にどの程度影響を及ぼすか？

主な発見

• イオンスケール反平行再結合の縁で、電子および冷たいイオン（10–500 eV）に支配される二次的再結合が観測され、高温イオンの反応は検出されなかった。
• 二次的再結合における冷たいイオンの噴流および電子の噴流は、冷たいイオンのアルベール速度と同等であり、冷たいイオンの力学的支配を確認した。
• 再結合地点には強いガイド磁場（BM,e−ci−M1/Bph ≈ 5.7）が存在し、平面外磁場成分が顕著であることを示し、成分再結合を示した。
• 電子・冷たいイオン電流シートは、冷たいイオンフレームでウォーレン関係を満たしており、一貫性があり局所的な再結合プロセスの存在を支持した。
• 二次的再結合は冷たいイオンおよび電子を加速・加熱しており、一次のイオンスケール再結合にフィードバック機構が存在する可能性を示唆した。
• これは、反平行再結合と成分再結合が同時に作用している最初の観測的証拠であり、それらが互いに排他的であるとみなすモデルに挑戦するものである。