真夏の磁気圏境界層 長谷川　洋 STPセミナー　2009/09/16

磁気圏現象の季節依存性 地軸： 公転面の法線に対して23.4°の傾き。 磁軸（磁気双極子モーメントの軸）： 地軸に対して約11°の傾き。 地軸：　公転面の法線に対して23.4°の傾き。 磁軸（磁気双極子モーメントの軸）：　地軸に対して約11°の傾き。 磁気圏の現象には、季節依存性が生じうる。

地磁気活動度の季節依存性 Russell & McPherron, 1973

Russell-McPherron効果 太陽風速度の影響 春・秋[View from Sun] IMF 太陽の磁気赤道 GSM座標系で、IMF南北成分が現れる。 太陽風速度の影響 夏・冬[GSM X-Z plane] 太陽風速度 Yoshida, AG, 2009

IMF北向きの場合は？ 2007年6月3日（~夏至）の観測 (Øieroset et al., 2008) Song & Russell, 1992 40 min

グローバルMHDシミュレーション 子午面 Vz Li et al., JGR, 2009

特徴的な低緯度境界層（LLBL） 赤道面 密度 Vz Li et al., JGR, 2009

MHDシミュレーション結果 夏（北）半球で最初に高緯度リコネクション。 南向きのプラズマジェット（~100 km/s）の層 - 昼側磁気圏界面のすぐ地球側に形成。 - 低温（< 1 keV）、高密度（> 1 /cc）のプラズマ。 - 経度方向の広がり大。 - 大部分は開いた磁力線の領域。 開いた磁力線の一部は、冬（南）半球での高緯度リコネクションにより、閉じる。 低温高密度プラズマ層の厚み ＞ 1 Re

MHDシミュレーション結果 夏（北）半球で最初に高緯度リコネクション。 南向きのプラズマジェット（~100 km/s）の層 - 昼側磁気圏界面のすぐ地球側に形成。 - 低温（< 1 keV）、高密度（> 1 /cc）のプラズマ。 - 経度方向の広がり大。 - 大部分は開いた磁力線の領域。 開いた磁力線の一部は、冬（南）半球での高緯度リコネクションにより、閉じる。 低温高密度プラズマ層の厚み ＞ 1 Re

2008年7月11日のTHEMIS観測 太陽風、シース、昼側境界層を同時観測

2008年7月11日のIMF 2.5 hours IMF clock angle = tan–1(By/Bz) IMFは長時間、強い北向き

MHDシミュレーション結果 夏（北）半球で最初に高緯度リコネクション。 南向きのプラズマジェット（~100 km/s）の層 - 昼側磁気圏界面のすぐ地球側に形成。 - 低温（< 1 keV）、高密度（> 1 /cc）のプラズマ。 - 経度方向の広がり大。 - 大部分は開いた磁力線の領域。 開いた磁力線の一部は、冬（南）半球での高緯度リコネクションにより、閉じる。 低温高密度プラズマ層の厚み ＞ 1 Re

電子のMSBL（magnetosheath boundary layer） TH-E

MHDシミュレーション結果 夏（北）半球で最初に高緯度リコネクション。 南向きのプラズマジェット（~100 km/s）の層 - 昼側磁気圏界面のすぐ地球側に形成。 - 低温（< 1 keV）、高密度（> 1 /cc）のプラズマ。 - 経度方向の広がり大。 - 大部分は開いた磁力線の領域。 開いた磁力線の一部は、冬（南）半球での高緯度リコネクションにより、閉じる。 低温高密度プラズマ層の厚み ＞ 1 Re

2008年7月11日の境界層観測

リコネクションは続いていた

TH-AとTH-Eの経度方向の距離 ～ 3.5 Re 経度方向に広がったジェットの層 TH-AとTH-Eの経度方向の距離 ～ 3.5 Re

ピッチ角~0°と~180°の電子フラックスがバランス ジェットは閉じた磁力線上 ピッチ角~0°と~180°の電子フラックスがバランス

MHDシミュレーション結果 夏（北）半球で最初に高緯度リコネクション。 南向きのプラズマジェット（~100 km/s）の層 - 昼側磁気圏界面のすぐ地球側に形成。 - 低温（< 1 keV）、高密度（> 1 /cc）のプラズマ。 - 経度方向の広がり大。 - 大部分は開いた磁力線の領域。 開いた磁力線の一部は、冬（南）半球での高緯度リコネクションにより、閉じる。 低温高密度プラズマ層の厚み ＞ 1 Re

高密度境界層の厚み ＜ 0.5 Re TH-D TH-E TH-A

MHDシミュレーション結果 夏（北）半球で最初に高緯度リコネクション。 南向きのプラズマジェット（~100 km/s）の層 - 昼側磁気圏界面のすぐ地球側に形成。 - 低温（< 1 keV）、高密度（> 1 /cc）のプラズマ。 - 経度方向の広がり大。 - 大部分は開いた磁力線の領域。 開いた磁力線の一部は、冬（南）半球での高緯度リコネクションにより、閉じる。 低温高密度プラズマ層の厚み ＞ 1 Re

観測結果 夏（北）半球で最初に高緯度リコネクション。 南向きのプラズマジェット（~100 km/s）の層 - 昼側磁気圏界面のすぐ地球側に形成。 - 低温（< 1 keV）、高密度（> 1 /cc）のプラズマ。 - 経度方向の広がり ＞ 3.5 Re。 - 大部分は閉じた磁力線の領域。 開いた磁力線の大部分は、冬（南）半球での高緯度リコネクションにより、閉じる。 低温高密度プラズマ層の厚み ＜ 0.5 Re

違いから推測できること ジェット層、高密度境界層の大部分は閉じた磁力線上にある。 ⇒ リコネクション率は、南北両半球でほぼ等しい。 昼側境界層の厚み < 0.5 Re。 グローバルMHDシミュレーション（Li et al., JGR, 2009）と比べて、 ⇒ 実際のリコネクション率は低い、and/or 実際の尾部へのプラズマ輸送効率は高い。

今の（グローバル）MHDシミュレーションの短所 リコネクションは異常（人工）・数値抵抗が原因で起きている。 空間分解能が（多分）足りない。 ⇒ 大きな数値抵抗 ⇒ 現実より大きいリコネクション（磁場拡散）率？ ⇒ KH渦が生じない ⇒ 現実より小さい運動量輸送？ Plasma Depletion Layerが形成されにくい。冬半球でのリコネクションが起こりにくくなっている？

未解決問題 IMF北向き時に、リコネクション率は磁軸の傾き（季節）に依存するか？ If so, AND 支配的な太陽風プラズマ流入・輸送メカニズムがリコネクションならば、プラズマシートの密度や境界層の厚みも、磁軸の傾きに依存するはず。 グローバルMHDシミュレーション（Li et al., 2008）：　流入率は磁軸の傾きに依存。 実際は？？？

DMSPデータで迫れるか 北向きIMF時 磁気圏赤道面での密度＆温度2Dマップ(Wing & Newell, 2002) 南向きIMF時 プラズマ密度 プラズマ温度 南向きIMF時

2008年7月11日の衛星配置 TH-B Geotail TH-C TH-A,D,E Cluster

まとめ IMF北向き時にLLBLで、南向きのリコネクションジェットを多点観測。 ジェット層、境界層は閉じた磁力線上にある。 - リコネクション率は、南北両半球でほぼ等しい。 高密度境界層の厚み < 0.5 Re。 グローバルMHDシミュレーションと比べて、 - 実際のリコネクション率は低い、and/or - 実際の尾部へのプラズマ輸送効率は高い。 プラズマ流入・輸送効率に季節依存性はあるか？

References Hasegawa, H., J. P. McFadden, O. D. Constantinescu, et al., Boundary layer plasma flows from high-latitude reconnection in the summer hemisphere for northward IMF: THEMIS multi-point observations, Geophys. Res. Lett., 36, L15107, doi:10.1029/2009GL039410, 2009. Li, W., J. Raeder, M. F. Thomsen, and B. Lavraud, Solar wind plasma entry into the magnetosphere under northward IMF conditions, J. Geophys. Res., 113, A04204, doi:10.1029/2007JA012604, 2008. Li, W., J. Raeder, M. Øieroset, and T. D. Phan, Cold dense magnetopause boundary layer under northward IMF: Results from THEMIS and MHD simulations, J. Geophys. Res., 114, A00C15, doi:10.1029/2008JA013497, 2009. Øieroset, M., T. D. Phan, V. Angelopoulos, et al., THEMIS multi-spacecraft observations of magnetosheath plasma penetration deep into the dayside low-latitude magnetosphere for northward and strong By IMF, Geophys. Res. Lett., 35, L17S11, doi:10.1029/2008GL033661, 2008. Russell, C. T., and R. L. McPherron, Semiannual variation of geomagnetic activity, J. Geophys. Res., 78, 92-108, 1973. Song, P., and C. T. Russell, Model of the formation of the low-latitude boundary layer for strongly northward interplanetary magnetic field, J. Geophys. Res., 97, 1411-1420, 1992. Yoshida, A., Physical meaning of the equinoctial effect for semi-annual variation in geomagnetic activity, Ann. Geophys., 27, 1909-1914, 2009.