シミュレーション科学としての太陽シミュレーションの役割

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1 シミュレーション科学としての太陽シミュレーションの役割
太陽シミュレーション研究会 2006年6月14－15日（東大横山研究室） シミュレーション科学としての太陽シミュレーションの役割 草野完也 海洋研究開発機構 地球シミュレータセンター 連結階層シミュレーション研究開発プログラム 2019/4/18

2 Outline 地球シミュレータと次世代計算機 マルチスケールシミュレーション 観測駆動型シミュレーション シミュレーション科学への貢献を
地球シミュレータは何のために？ マルチスケールシミュレーション 「磁気リコネクション」の完全解明こそ太陽研究者の使命！ 観測駆動型シミュレーション そろそろ、フレアトリガ問題をまじめに解決しよう！ シミュレーション科学への貢献を 連結階層シミュレーション 2019/4/18

3 地球シミュレータの役割 地球大気・海洋の変動及び地球内部の変動の定量的評価・予測
自然災害からの人類の生命・財産の保全 気候変動に対する的確な環境・資源管理 適切な経済活動の支援 人と自然の共生とそれによる人類の持続的発展への貢献 「地球シミュレータ」を活用することにより画期的な成果を上げることが期待できる分野への貢献 「地球シミュレータ」のハードウェアの特色を最大限活かす高度なベクトル化並びに並列化ソフトウェアの開発の推進 特定高速電子計算機の開発への連携 2019/4/18

4 2019/4/18

5 地球シミュレータによる研究分野 大気海洋 地球環境予測、気候モデル、気象 災害予測、ヒートアイランドのモデル化 固体地球
地殻変動、地震伝播、マントル対流、 地磁気 計算機科学 連結階層シミュレーション 先進科学 ロケットエンジン、カーボンナノ チューブ、素粒子、宇宙、バイオ、 分子動力学、材料開発、燃料 電池、核融合 戦略的研究 国際協力研究、産業活用 2019/4/18

6 宇宙シミュレーションプロジェクト リコネクション、多相流 粒子加速、衝撃波、乱流 連結階層シミュレーションプロジェクト 2019/4/18

7 マルチスケール問題 連結階層 連続体 現象 （客観世界） 理論 （主観世界） マクロ モデル マルチスケール現象 マクロ現象 マクロ理論
FD, FV, FE, SPH, スペクトル 現象 （客観世界） 理論 （主観世界） マクロ モデル マルチスケール現象 流体、弾性体 マクロ現象 マクロ理論 連続体力学 連結階層 分子運動論 量子力学 原子、分子 ミクロ現象 ミクロ理論 ミクロ モデル MD, PIC, MC 粒子 2019/4/18

8 連結階層シミュレーション Macro-Micro Interlocked (MMI) Simulation マクロスケール 階層性
局所平衡の破れ 非線形性 マクロスケール （連続場近似） 階層性 統計平均 縮約 ミクロスケール （第1原理モデル） 2019/4/18

9 local Maxwell-Boltzmann distribution
流体における階層性 Knudsen number：Kn ≡ l/L （平均自由行程　l、流れ場の代表長さ　L） Kn 流体 10-2 分子運動 ナビエ・ストークス方程式 ボルツマン方程式 Chapman-Enskog展開 local Maxwell-Boltzmann distribution 非熱平衡 局所熱平衡 希薄流れ 境界層流れ 加熱 DSMC （Deirec Simulation Monte Carlo) CFD 2019/4/18

10 流体におけるマクロ・ミクロ連結 HLLC DSMC 流体領域 (V, r, T) (V, r, T) Maxwell Boltzmann分布
による粒子生成 速度空間モーメント 粒子領域 連結部 連結部 流体領域　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　流体領域 粒子領域 HLLC DSMC 2019/4/18

11 粒子流体連結による衝撃波伝播シミュレーション
time 流体領域 粒子領域 HLLC法 DSMC法 HLLC法 2019/4/18

12 連結階層リコネクションモデル（杉山、草野）
電磁流体（MHD）モデル 一般化されたオームの法則 マックスウェル方程式 粒子（PIC）モデル 2019/4/18

13 磁気リコネクション 問題：Lとδを決める物理（因果律）は何か？ 境界条件→L Bin → Vout=VA 境界条件→Vin
Sweet-Parker type Petschek type L δ Vin Vout 問題：Lとδを決める物理（因果律）は何か？ resistive MHD 境界条件→L Bin → Vout=VA 境界条件→Vin Bin → Vout=VA 2019/4/18

14 高磁気レイノルズ数領域のリコネクション 多重リコネクション 乱流リコネクション Hall MHDリコネクション
Whistler wave Collision-less リコネクション Meandering motion 異常抵抗 LHDI, Ion Acoustic Instability, etc. MHD性 非MHD性 2019/4/18

15 シア反転モデルにおける２重リコネクション B S=10,000 Kusano et al. 2004 A B C D CS1 CS2 CS1
2019/4/18

16 ダブルテアリング不安定の高Sシミュレーション
Ishii, Azumi, Kishimoto (2002, PRL) Explosive Growth Rutherford phase current sheet 2019/4/18

17 高磁気レイノルズ領域のテアリング不安定性
RM=103, 104（一様抵抗） HLLD近似リーマン解法 （Miyoshi, Kusano 2005) 2500x500非一様格子 2D ハリス解 δ/L 運動エネルギー 時間 δ/L 2019/4/18

18 乱流的リコネクションへの遷移 別役、三好、草野 2006 HLLD法 ハリス解 テアリング不安定 一様抵抗 2019/4/18

19 Hall-MHD reconnection
whistler Alfven Rogers et al. 2001 2019/4/18

20 Collision-less Reconnection (2D)
Hesse, Winske 1998 Ishizawa, Horiuchi 2005 2019/4/18

21 マルチスケール問題としてのリコネクション
Instability 非MHD Slow shock 乱流 Hall MHD Whistler wave meandering Fast shock LHDI, Ion Acoustic Inst., etc. MHD 2019/4/18

22 アルフベン波伝播テスト PIC MHD 2019/4/18

23 様々な連結階層プラズマモデル MHD-PIC連結モデル MHD-Hall MHD連結モデル MHD-2流体連結モデル
リコネクション（異常抵抗） 粒子加速 アルフベン共鳴→波動擾乱？ MHD-Hall MHD連結モデル リコネクション（高速遷移） MHD-2流体連結モデル コロナ光球結合モデル、 磁気圏電離層結合モデル MHD-DSMC連結モデル 中性粒子衝突、反応 藤堂（NIFS) 2019/4/18

24 ２つのシミュレーション 現象論モデル（パラメタリゼーション） 結果から原因へ 想定内の 予測 徹底的な 観測による 検証 ミクロ マクロ
第一原理モデル 原因から結果へ 普遍現象の 再現 ミクロ マクロ 2019/4/18

25 データ駆動型モデリング データ同化が基づく数値シミュレーション 同化手法の開発 シミュレーションモデルの開発
3次元コロナ磁場の同化（初期条件） 光球面電場の同化（境界条件） シミュレーションモデルの開発 活動領域から全球コロナへのmulti-resolutionモデル 数値シミュレーション（MHD) 観測データ ベクトル マグネトグラム 観測データ X、紫外、 Hα 初期境界条件 計算結果 初期境界条件 計算結果 初期境界条件 計算結果 2019/4/18

26 まとめ 太陽シミュレーションは宇宙シミュレーションの先導者（となれるはず） 予知のできるシミュレーションを目指すべき。
豊富なマルチスケール問題 プラズマ物理としての普遍性 天体分野初めてのデータ駆動モデルの可能性 予知のできるシミュレーションを目指すべき。 Solar-B + ES は絶好のチャンス！ 2019/4/18