地球磁気圏尾部における磁気リコネクション近傍及び尾部全体の高エネルギー電子の生成

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1 地球磁気圏尾部における磁気リコネクション近傍及び尾部全体の高エネルギー電子の生成
今田　晋亮（星野研）

2 Introduction Wind observation of the reconnection region. ~500km/sec fast flow reversal are observed at ~08:00. When Wind pass the near magnetic diffusion region（07:45~08:05）, accelerated ~300keV electrons are observed. Hardest energy specrum is observed at the vicinity of the diffusion region. Oieroset et al 2002

3 Pitch angle High energy electrons are almost isotropic.
We try to reveal the average profile of the acceleration region and process by using the space craft data.

4 Contents Statistical Study of the Geotail Observation of the Reconnection Region (Transform the magnetic field data to relative space craft position) Event Study of the Cluster observation of the Reconnection Region (simultaneous observation of X direction and Z direction of the current sheet) Statistical Study of the Geotail Observation of the entire plasma sheet (-30<X<-20, -20<Y<20)

5 Magnetic Field Model 2 Dimension
磁気リコネクション領域において、Harris type の磁場構造をX、Z両方向に仮定する B = α Blobe tanh(X)ez+Blobe tanh(Z)ex B = -α Blobe X ez+Blobe tanh(Z)ex Lobe Magnetic Pressure = Thermal Pressure + Magnetic Pressure X-Type neutral line O-Type neutral line From Observation Assumption α=1, X=(x/λx), Z=(|z|/ λz) Space craft position Normalized by typical scale length αを仮定すれば、衛星が磁気リコネクション領域のどこを通過したか求められる。

6 Averaging the Physical Quantities
N： the number of data points within r0 from the grid point rk： the distance between the data point and grid point Var： the electron temperature or energetic electron flux.

7 Near Earth Neutral Line (~30Re)
Earth ward Z Z Earth ward 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0.0 X 0.0 X 0.4 0.2 0.0 -0.2 0.4 0.2 0.0 -0.2 Log10(Te) Log10(EleFlux>38keV) Energetic Electron Dominant Hot Thermal Electron dominat

8 Plasmoid (<-70Re) Z Earth ward Z Earth ward 1.0 1.0 0.8 0.8 0.6 0.6
0.4 0.4 0.2 0.2 X X 0.0 0.0 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 -0.4 -0.6 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 -0.4 -0.6 Log10(EleFlux>38keV) Log10(Te) Energetic Electron Dominant Hot Thermal Electron dominat

9 Distant tail neutral line
Z Z Earth ward Earth ward 0.4 0.4 0.2 0.2 0.0 X X 0.0 0.3 0.1 -0.1 -0.3 0.3 0.1 -0.1 -0.3 Log10(EleFlux>38keV) Log10(Te)

10 Overview of the Result (α＝０．５)
αを変えても結果はほとんどかわらない。 Separatrixの位置は変わる。 ＞３８ｋeV　電子フラックス 電子温度

11 速度 Profile ５００ km/sec程度のout flow X-type neutral line ではX＝０で地球方向、尾部方向が反対になる。 Plasmoidも５００km/sec程度で一様に尾部方向に伝わる

12 Summary of the Observation and Physical Indication
電子温度はLobeとPlasma　Sheetの境界で、近尾部のリコネクションではでは高くなっている 高エネルギーの電子フラックスはX-pointより磁気リコネクション領域のジェット下流の磁場の強い領域で高い。 (3)地球方向と尾部方向を比べると、地球方向の方が高エネルギー電子のFluxが高い distant tail では地球方向と尾部方向にはあまり顕著な差が見られない (5)Plasmoidでは磁場が強い領域で電子温度及び高エネルギー粒子が多く、O-pointではあまり高くない

13 Event Study of The Cluster Observations
Geotail衛星データの磁気拡散領域近傍の統計解析により、磁気拡散領域よりジェット下流側に少しはなれた磁場が強くなっている部分により高エネルギー電子が存在するという結果が得られた。 一方、磁気リコネクションは定常ではないと考えられる。Geotailの１点観測による統計解析は、時間変動及び個々のイベントの大きさの不定性を含んでいる。 CLUSTER衛星の４点同時観測データを用いることで時間変動等の不定性を解消し、磁気リコネクション領域のX方向の違いを見ることで高エネルギー電子生成のプロセスをさらに理解しようというのが、研究の目的。

14 Overview of Oct event 高エネルギー電子はRAPID（今回の図に使っているのは34.5 ~ 50.5 ~ 68.1 ~ 94.5 ~ ~ 175.9keV）、を用いた。磁場はFGM、VpxはCISのデータを用いた。 Plasmoidが２つ程、通過した後、09:48:30にVpxがtail ward からearth wardに反転し、Bzも南向きから北向きに変化してる。　　　衛星がX-point の近傍を通った それにともない、高エネルギー電子Fluxの上昇がみられる。C3では１２７．５ｋeVまで。C2、C4でも９４．５ｋeV

15 Runov et al 2003

16 Anisotropy of energetic electron
09:46 09:51 09:47 09:48 09:49 09:50 C1 C2 Tail ward Dawn ward C3 Earth ward C4 ２次元のデータ（elevationの方向は足し合わせてある）を用いて、スピン方向の非等方性をあらわした図。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　注目していた箇所をみると、C2（Tail）、C3(Earth)、C4(Dawn)で異方性が強い箇所違う。３つともEarth wrad flow中なので、高エネルギー電子が多い領域を通過するタイミングの違いによると考えられる。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　そこで、この高エネルギー電子は等方的であるとして、高時間分解能での時間プロファイルを見ることにする。 ((1spin)/sector=4/16[sec]).

17 高時間分解能での 磁場Bzと高エネルギー電子
高エネルギー電子の増大と磁場Bzが強くなるのはほぼ同時。　　　　３つの衛星ともで観測された高エネルギー電子起源は同一の磁気リコネクション起源と考えられる。つまりBzの大きな領域が伝播して衛星に尾部側から順番に観測していると考えられる。伝播速度はC3とC4から2000÷8=250km/sec程度である。磁場の強い領域の厚みは3X250=750km程度と見積もれる。 Bz 48:43.051 3sec ＞５０．５　Electron　Flux 48:49.508 3sec 48:41.45 3sec 　　○　　 △　　 □　　 ×

18 Energy Spectrum hard C3（□）：γ=6.7 , Time 09:48:44
C2とC4ではタイミング以外違いがほとんど無い。γはほぼ７前後　　　Dawn-Duskの違いはない？？

19 衛星の位置 B = α Blobe tanh(X)ez+Blobe tanh(Z)ex
を用いて４つの衛星の位置をGeotail衛星の時と同様に求める。 すると、実際の衛星間の距離がわかっているので、X=(x/λx), Z=(|z|/ λz) から　　　　　　　　　　　　ｘ、ｚ方向の典型的なスケールを求められる。 ０９：４８：２６,（λｚ, λｘ）=(600km, 2700km) ０９：４８：５１, （λｚ, λｘ）=(900km, 3200km)　　　　　　　　　　　

20 The position of the Cluster
Z X X-Z plane X-Y plane X Y 2000km 3 1 750km 2 Propagate 1000km 2000km ２５０ｋｍ/sec 4 Large normal magnetic field Bz with Energetic Electron

21 Sarafopolous et al 2001

22 Kp Dependence, Spatial Distribution of Energetic Electron
１９９５,Jan～１９９７,June Total data:３４０８９７,ＰＳ:５１４２８,ＭＳ／ＳＬ:１４３０２２ Plasma Sheet Data Selection β Ti XGSM YGSM Plasma Sheet >1 >1keV -20～-30 -20～20 GEOTAIL Experimentation Time Energy Elevation Azimuthal LEP 60s 9.3keV, 3.2keV ±67.5 Spin Ave EPIC >38keV ±30

23 color contour is normalized in each Kp
Kp index vs. Energetic Electron Flux >38keV(Electron) 40keV(Ion) Kp Flux color contour is normalized in each Kp Energetic Electrons and 40 keV Ions are associated with the geomagnetic activity. These fluxes depend exponentially on Kp index ~10**(0.6Kp+2), ~10**(0.3Kp+2.5)

24 Kp index vs. Middle/Thermal Electron Flux
9.2keV 3.2keV Flux Flux Kp Kp Middle/Thermal electrons also depend on Kp. These dependences are relatively weak compared that for >38keV flux. ~10**(0.4Kp+4), ~10**(0.2Kp+5.5)

25 The Dawn-Dusk Asymmetry of the Plasma Sheet
>38keV Electron 40keV Ion Flux Flux Flux is normalized by Kp index. Electron flux intensity is higher at dawn side than dusk side. Ion flux intensity is higher at dusk side than dawn side. We can see energy dependence. Are these asymmetry caused by gradient B drift? Y Y 9.3keV Electron 3.2keV Electron Flux Flux Y Y

26 テスト粒子計算すると Dawn-Duskの依存性再現できる エネルギー依存性同じ

27 磁気圏全体での断熱的運動 Convection: E/B X gradB drift: [myu]/B(gradB) B 40keV
Ey~0.2mV/m Convection:　E/B Eyd~51.2kV（～４０ｋV） X gradB drift:　[myu]/B(gradB) B 40keV V perpだけで考えれば -３０Reで40keVなら 　　 -１００Reでは１０keV 差が３０keVなので、-5Reまでは40keVの電子は空になってるはず -30Re Re 4nT nT 10keV Y 20Re Re

28 Vparaまで考えれば E0=Epara0+Eperp0 E=Epara0+4Eperp0 Vperpにlimitがあるので Vpara

29 計算結果では？ でも実際（現実）は等方的 Pitch angle scattering 等の拡散過程が効く

30 今後の課題 データ解析の結果をまとめる（CLUSTERのほかのイベントもある） ピッチ角散乱を入れる
磁場を横切る散乱も入れる（これを入れないと最高到達エネルギー解決しない） Curvature の効果も入るようにリコネクションの磁場にする（Xポイントを含む） ダイポール磁場の効果も入るようにする