静電孤立波からの電磁波放射に関する計算機実験

*梅田 隆行[1], 大村 善治[1], 松本 紘[1], 臼井 英之[1]

京都大学宙空電波科学研究センター[1]

Particle simulations of electromagnetic emissions from electrostatic solitary waves

*Takayuki Umeda[1] ,Yoshiharu Omura [1]
Hiroshi Matsumoto [1],Hideyuki Usui [1]
Radio Science Center for Space and Atmosphere, Kyoto University[1]

We study possible emission process of electromagnetic waves from electrostatic solitary waves by a two-dimensional full particle code with an open boundary. A cold electron beam is injected from an open boundary into the background plasma to form an unstable velocity distribution function. In the present study, we varied amplitude of the external magnetic field (electron cyclotron frequency) to study spatial structures of solitary electrostatic potentials and electromagnetic field identified by vector potential.

静電孤立波からの電磁波放射に関する計算機実験を、二次元開放系電磁粒子コードを用いて行った。静電孤立波は空間的に孤立したポテンシャル構造で、そのバイポーラ状の波形はGEOTAIL衛星をはじめとする最近の科学衛星によって地球磁気圏内の様々な領域において観測されている。本研究の計算機実験では、従来の一様な周期系と異なった、より現実の磁気圏に即した開放系モデルを用いている。初期状態には熱平衡状態の背景電子とイオンのみを仮定し、シミュレーション開始後、境界より電子ビームを一定流量で入射させる。入射した電子ビームによって不安定なbump-on-tail電子速度分布関数が形成される。bump-on-tail 不安定性は空間的に発展し、不安定性により励起した正極性の静電ポテンシャル列は伝搬していくにつれ互いに合体し、空間的に孤立したポテンシャルを形成する。 本研究ではパラメータとして電子サイクロトロン周波数を変化させて計算機実験を行った。電子サイクロトロン周波数を電子プラズマ周波数と等しくした、あるいは二倍の値にした場合(背景磁場が強いとき)、二次元構造を持つ静電ポテンシャルが磁場に沿って安定に伝播していく。二次元ポテンシャルに伴い、ベクトルポテンシャルによって表される電磁界成分が励起し、静電ポテンシャルと同様に電子ビームのドリフト速度で磁場に沿って伝播する。 一方、電子サイクロトロン周波数を電子プラズマ周波数の1/4とした場合(背景磁場が弱いとき)、電子のサイクロトロン運動によって静電ポテンシャル構造は崩壊する。しかし、ベクトルポテンシャル構造は崩壊せず、電子ビームのドリフト速度で磁場に沿って伝播することがわかった。 今後、これらのベクトルポテンシャル構造(電磁界成分)の解析を行う予定である。