[論文レビュー] Symbiotic Self-Organized Criticality and Intermittent Turbulence in an MHD Current Sheet with a Threshold Instability

A. J. Klimas, V. M. Uritsky+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2009

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、しきい値不安定性を有する抵抗性MHD電流シートモデルにおいて、自己組織的臨界性（SOC）と間欠的乱流（IT）の共生関係を数値的に示す。電流に依存する抵抗率をヒステリックスイッチを用いて導入することで、シミュレーションはスケールフリーな磁気エネルギーアバランチと、階層的乱流理論と整合するマルチスケーリング速度場を明らかにした。これは、SOCとITが駆動されるプラズマ系において補完的である動的状態である可能性を示唆する。

ABSTRACT

Department of Physics and Astronomy, University of Calgary, Calgary, Alberta, Canada T2N 1N4(Dated: January 8, 2009)We report numerical evidence of a self-organized criticality (SOC) and intermittent turbulence(IT) symbiosis in a resistive magnetohydrodynamic (MHD) current sheet model that includes alocal hysteretic switch to capture plasma physical processes outside of MHD that are describedin the model as current-dependent resistivity. Results from numerical simulations show scale-freeavalanches of magnetic energy dissipation characteristic of SOC, as well as multi-scaling in thevelocity field numerically indistinguishable from certain hierarchical turbulence theories. We suggestthat SOC and IT may be complementary descriptions of dynamical states realized by driven currentsheets – which occur ubiquitously in astrophysical and space plasmas.

研究の動機と目的

• 駆動されるプラズマ系における自己組織的臨界性（SOC）と間欠的乱流（IT）の共存および相互作用を調査すること。
• 局所的ヒステリックスイッチを用いて、標準MHDを超える非MHDプラズマ過程（例えば、電流に依存する抵抗率）を抵抗性MHDフレームワークでモデル化すること。
• SOCとITが、宇宙・天体プラズマに一般的な電流シートにおける補完的記述を表しているかどうかを特定すること。
• 磁気エネルギー散逸および速度場のスケーリング特性を分析し、スケールフリーおよびマルチスケーリング行動の証拠を求める。

提案手法

• 標準MHDを超えるプラズマ過程を表現するため、局所的ヒステリックスイッチを用いた抵抗性磁気流体力学（MHD）電流シートモデルの数値シミュレーション。
• プラズマ内のしきい値駆動不安定性を捉えるために、電流に依存する抵抗率の導入。
• SOCの特徴であるスケールフリーなアバランチダイナミクスを特定するため、磁気エネルギー散逸イベントの分析。
• 階層的乱流理論の予測と類似する振る舞いを示すかどうかを検出するため、速度場統計の検討。
• 同じ系において駆動条件の下でSOCとITの兆候を区別するための数値診断の使用。
• エネルギーおよび速度場におけるパワーロー分布とマルチフラクタル特性を定量化するためのスケーリング解析の適用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 しきい値不安定性を有する1つの抵抗性MHD電流シートモデルにおいて、自己組織的臨界性と間欠的乱流が共存可能か？
• RQ2 ヒステリック的で電流に依存する抵抗率の導入は、SOCおよびITの出現にどのように影響するか？
• RQ3 速度場の揺らぎは、階層的乱流理論の予測と整合するマルチスケーリング振る舞いを示すか？
• RQ4 駆動条件下で磁気エネルギー散逸イベントはスケールフリーであるか、すなわちSOC行動を示すか？
• RQ5 SOCとITは、駆動される電流シートにおける動的状態の補完的記述として解釈可能か？

主な発見

• 数値的シミュレーションにより、磁気エネルギー散逸のスケールフリーなアバランチが確認され、系に自己組織的臨界性（SOC）が存在することが裏付けられた。
• 速度場は、特定の階層的乱流理論の予測と数値的に区別がつかないマルチスケーリング振るまいを示した。
• SOCと間欠的乱流の共生関係が、同じ駆動電流シート系で観測された。
• ヒステリックスイッチ機構は、電流に依存する抵抗率を通じて非MHDプラズマ過程を効果的に捉えており、しきい値不安定性の現実的なモデル化を可能にした。
• 結果から、SOCとITは、宇宙・天体プラズマに一般的な駆動される電流シートにおいて、補完的動的状態を表している可能性があると示唆された。
• 観測されたスケーリング特性は、臨界性と間欠的乱流が互いに排他的ではなく、共に進化しうる状態に系が存在することを示している。