[論文レビュー] Stability of the magnetotail current sheet with normal magnetic field and field-aligned plasma flows

Chen Shi, Anton Artemyev+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2021

Ionosphere and magnetosphere dynamics参考文献 159被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、有限の垂直磁場成分（Bz）と場方向のイオン流れを有する1次元マルチフラッド磁気尾電流シートモデルを構築し、剥離モードの安定性を調査した。Bzが電流シートを強く安定化させることを示し、ネット流量がゼロの反対向きのイオン流れが安定性を最大にする。場方向の流れは、このBzに起因する安定化を克服できないため、準位相発生のためには追加の運動論的効果が必要であると示唆する。

ABSTRACT

One of the most important problems of magnetotail dynamics is the substorm onset and the related instability of the magneotail current sheet. Since the simplest 2D current sheet configuration with monotonic $B_z$ was proven to be stable to the tearing mode, the focus of the instability investigation moved to more specific configurations, e.g. kinetic current sheets with strong transient ion currents and current sheets with non-monotonic $B_z$ (local $B_z$ minima or/and peaks). Stability of the latter current sheet configuration has been studied both within kinetic and fluid approaches, whereas the investigation of the transient ion effects were limited to kinetic models only. This paper aims to provide detailed analysis of stability of a multi-fluid current sheet configuration that mimics current sheets with transient ions. Using the system with two field-aligned ion flows that mimic the effect of pressure non-gyrotropy, we construct 1D current sheet with a finite $B_z$. This model describes well recent findings of very thin intense magnetotail current sheets. The stability analysis of this two-ion model confirms the stabilizing effect of finite $B_z$ and shows that the most stable current sheet is the one with exactly counter-streaming ion flows and zero net flow. Such field-aligned flows may substitute the contribution of the pressure tensor nongyrotropy to the stress balance, but cannot overtake the stabilizing effect of $B_z$. Obtained results are discussed in the context of magnetotail dynamical models and spacecraft observations.

研究の動機と目的

• 有限のBzおよび場方向のプラズマ流れを有する磁気尾電流シートをマルチフラッド法を用いてモデル化すること。
• 場方向のイオン流れが、垂直磁場成分を有する状況下での剥離モード不安定性に与える影響を調査すること。
• 薄い電流シートにおいて、Bzによる安定化効果を、プラズマの流れが打ち消せるかどうかを特定すること。
• 理論的安定性と観測された準位相発生（高速再結合が安定な構成にもかかわらず発生）の両立を図ること。

提案手法

• 等密度の2つのイオン種から成る、場方向の速度が逆向きの1次元磁気尾電流シートモデルを構築。
• 磁気張力（jyBz/c）が場方向のイオン流れの運動量フラックスと釣り合うように、応力平衡を課す。
• 線形安定性解析を用いて、ルンドシュトラール数と流れの非対称性の関数としての剥離モードの増大率を計算。
• SciPyの数値ソルバーを用いて、摂動の境界値問題を解く。
• ネット流量がゼロ（反対向き流れ）および最大流量（1流体系）の極限を考慮し、安定性の極値を評価。
• 最大増大率（γm）とルンドシュトラール数（S）のスケーリングを分析し、拡散支配の不安定性を特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 場方向のイオン流れを有する1次元電流シートにおいて、有限のBz成分が剥離モードを安定化させるか？
• RQ2 安定化するBz成分が存在する中で、場方向のプラズマ流れが電流シートを不安定化させられるか？
• RQ3 ネット流れ速度が電流シートの安定性に果たす役割は何か？
• RQ4 2イオン種の反対向き流れ配置は、1流体MHD極限と比較してどのように安定性が異なるか？
• RQ5 この安定性の結果は、準位相関連の磁気再結合発生にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 有限のBz成分は、1次元電流シートにおける剥離モードを強く安定化させ、大S極限では最大増大率がγm ∝ S−1に比例する。これは拡散に起因する不安定性であることを示唆する。
• 最も安定した状態は、2つのイオン種が等速で反対向きに流れ、ネット流量がゼロで、剥離モードの増大が生じない状態である。
• イオン流れの非対称性（非ゼロのネット流量）が生じると、自由エネルギーが導入され、電流シートが不安定化し、最大増大率が上昇する。
• 最も不安定な状態は、両方のイオン種がアルベール速度で同じ方向に流れている場合に相当し、これは1流体MHD極限に一致する。
• 場方向のプラズマ流れは、Bzに起因する安定化効果を打ち破ることができないため、準位相発生を引き起こすには追加の運動論的効果（例：圧力非ギャロトロピック効果）が必要であると示唆する。
• 本結果は、地上観測で観測された非常に薄く強い電流シートは、追加の自由エネルギー源が存在しない限り、剥離モードに対して安定であると示唆する。