[論文レビュー] SIMULATIONS OF COSMIC RAY CROSS FIELD DIFFUSION IN HIGHLY PERTURBED MAGNETIC FIELDS

G. Michałek, M. Ostrowski|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 1997

Magnetic Properties and Applications被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、アレクサンドリック乱流を含む高レベルの摂動を受けた磁場において、モンテカルロ粒子シミュレーションを用いて宇宙線の横磁場拡散を調査している。1次元および2次元の乱流において横磁場拡散が消滅すること、一部の状況では準拡散的領域が現れること、および平行拡散係数が波の振幅の二乗の逆数に比例し、波形の変化に対しては弱い依存性を示すことが判明した。

ABSTRACT

The process of particle cross-field diffusion in high amplitude Alfvenic turbulence is considered using the method of the Monte Carlo particle simulations. We derive the cross-field diffusion coefficient and the parallel diffusion coefficient in the presence of different 1-D, 2-D and 3-D turbulent wave field models and discuss the cross-field diffusion coefficient and the parallel diffusion coefficient variations with the wave amplitude. The cross-field diffusion coefficient is compared also to the respective derived values of the magnetic field diffusion coefficient. We note substantial differences in the cross-field diffusion efficiency at the same perturbation amplitude, depending on the detailed form of the turbulent field considered. Vanishing of the cross field diffusion coefficient at 1-D and 2-D turbulent fields is confirmed. For some types of the turbulent magnetic field an initial regime of sub-diffusive transport appears in the simulations. The derived values of the parallel diffusion coeficient are weakly dependent on the wave form and scale as the inverse of the squared perturbation amplitude up to our highest non-linear amplitudes.

研究の動機と目的

• 複雑な磁場配置における高振幅のアルフェン乱流が宇宙線輸送に与える影響を理解すること。
• さまざまな乱れた波場モデル下での横磁場および平行拡散係数を定量すること。
• 同一の摂動振幅下で、横磁場拡散と磁場拡散係数を比較すること。
• 拡散係数が乱れた場の次元性および構造にどのように依存するかを調査すること。

提案手法

• モンテカルロ粒子シミュレーションを用いて、乱れた磁場内を移動する宇宙線の確率的軌道をモデル化している。
• 1次元、2次元、3次元の異なる乱れた波場モデルを用いて、磁場の摂動度合いの違いを表現している。
• シミュレートされた粒子軌道の平均二乗変位から、横磁場および平行拡散係数を導出している。
• 拡散係数が波の振幅および場の幾何構造にどのように依存するかをシミュレーションで分析している。
• 相対的な輸送効率を評価するために、結果を磁場拡散係数と比較している。
• 特定の乱れた構成下で準拡散的輸送領域がどのように出現するかを検討している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 横磁場拡散係数は、アルフェン乱流の振幅および次元性にどのように変化するか？
• RQ2 同じ摂動振幅下で、乱れた磁場構造の形が横磁場拡散効率に顕著な影響を及ぼすか？
• RQ3 平行拡散係数は波の振幅および波形にどのように応答するか？
• RQ4 どのような条件下で宇宙線拡散において準拡散的輸送が出現するか？
• RQ5 同一条件下で、導出された横磁場拡散係数は磁場拡散係数とどのように比較できるか？

主な発見

• 1次元および2次元の乱れた磁場において、横磁場拡散係数は消滅しており、これらの構成下では横磁場方向へのネット輸送が発生しないことを示している。
• 同じ摂動振幅下でも、乱れた場の詳細な構造に応じて横磁場拡散効率に顕著な差が観察された。
• 特定の種類の乱れた磁場構造では、初期段階で準拡散的輸送領域がシミュレーションで観測された。
• 平行拡散係数は、波の振幅の二乗の逆数に概ね比例し、波形の変化に対しては弱い依存性を示した。
• 最大の非線形振幅までに、さまざまな波形に対して平行拡散係数が一貫して一定であった。
• 一部の構成では、横磁場拡散係数が磁場拡散係数よりも顕著に低く、輸送メカニズムの分離が生じていることが示された。