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データ解析と理論モデルを用いて挑むシステム解明

  • 宇宙地球環境研究所
  • 基盤研究部門

教授 町田  忍[まちだ しのぶ]

https://is.isee.nagoya-u.ac.jp/machidalab/member.html

シーズの概要

人工衛星の観測で得られた、磁場、電場、プラズマのデータをスペクトル解析や、自己回帰モデルなどを適用して解析している。また、プラズマ粒子シミュレーションの技法を用いて、衛星データ解析で見出した物理現象を再現し、対象とする領域で生起している物理過程の詳細について調査・研究している。これまでに、磁場のエネルギーが効率よくプラズマ粒子の運動エネルギーに変換される磁気リコネクションや、その過程が深く関わる地球の磁気圏・電離圏で発生するサブストームについて重要な知見を得ている。また、われわれの開発したコードは、プラズマを構成する電子、イオンと中性粒子との衝突過程を取り扱うことができる。そのため、人工衛星や衛星搭載機器から放出されるアウトガスと周囲のプラズマの相互作用や、実験室内のプラズマに関する研究も実施することができる。これまでに、中性粒子とプラズマが相対的な速度を持って運動する際、その速度がある臨界値を越えると爆発的に中性粒子の電離が進む、臨界速度電離と呼ばれる現象の発生原因の解明に成功している。

この研究の新規性・独創性

地球周辺では、無衝突で完全に電離されたプラズマで構成される領域(=磁気圏)、および、周囲の中性粒子との衝突が重要な役割を果たす部分電離プラズマで構成される領域(=電離圏)が存在する。両領域とも、そこで生起するプラズマ不安定性や、それに起因して励起されるプラズマ波動、およびそれに伴う電子やイオンの加熱過程とそれらを一体とした系のダイナミクスに関しては未解明な点が多い。われわれの研究手法は、実際の観測と粒子シミュレーションで得られる結果を相互比較することによって、空間的に限定された領域でしか計測データの得られない衛星観測と、時間・空間に関して稠密なデータの得られる理論シミュレーションを組み合わるため、より広域的な現象の解明と予測を併せて実施することが可能であり、その点に新規性と独創性がある。将来的には、サブストームや衛星周辺の放電現象などの重要な現象について、系の時間発展を決定づける物理パラメータの特定を進め、それを常時モニターしつつ、計測値を入力として、リアルタイムでシミュレーションを行い、系の時間発展を高精度で予想するシステムを構築したい。

産学連携を目指した応用研究

われわれがこれまでに行ってきた研究の発展として、人工衛星や宇宙ステーションの周囲のプラズマと中性ガスとの相互作用を研究し、それらの機体表面で発生する帯電現象やそれに伴う放電現象の物理過程を理解して、表面素材の選定や衛星表面電位のコントロールに有益な知見を与えつつ技術開発に貢献することが考えられる。また、実験室でプラズマを生成させ、それを物質の表面に照射して加工するシステムの設計や、既に製作されたシステム内で発生する不具合の原因究明およびその解決に、計測データの時系列解析とシミュレーション・理論モデルを組み合わせた、われわれの研究手法を適用することが考えられる。系内で計測された磁場、電場、プラズマなどの物理パラメータの特性を解析することによって、系内の応答や、その内部で生起している過程、特にシステムの不具合に関連して発生する事象のトラブルシューティングに多大な威力を発揮する。また、それを数値シミュレーションと組み合わせて、再現性のチェックや系の振舞の予想を行うことにより、速やかに不具合の原因を特定し、問題の解決に道筋を立てて、低コストで短時間に問題を解決したり、システムを設計することが可能である。われわれの手法は、開発の時間短縮、経費削減の観点で威力を発揮することが期待される。

一言アピール

地球の周辺はプラズマで満たされた空間ですが、その中で生起する電磁現象を衛星データの解析と、数値シミュレーンの手法を組み合わせて研究してきました。その応用として、人工衛星や宇宙ステーション周辺の電磁環境や、工業的なプラズマ表面処理システムの研究を行うことが可能です。

キーワード

プラズマ、人工衛星、データ解析、シミュレーション、不安定現象、プラズマ表面処理システム

保有技術

  • 地球周辺の磁場
  • プラズマデータの解析手法(時間重畳法解析、スペクトル解析、ARモデルなど)
  • プラズマ粒子シミュレーション技法(電磁粒子コード、電磁ハイブリッドコード)

主な機器

  • データ解析用ワークステーション

主な論文

  • S. Machida, Y. Miyashita, A. Ieda, M. Nosé, V. Angelopoulos, and J. P. McFadden, Statistical visualization of the Earth’s magnetotail and the implied mechanism of substorm triggering based on superposed-epoch analysis of THEMIS data, Ann. Geophys., 32, 99-111, 2014.
  • S. Machida, Y. Miyashita, A. Ieda, A. Nishida, T. Mukai, Y. Saito, and S. Kokubun, GEOTAIL observations of flow velocity and north-south magnetic field variations in the near and mid-distant tail associated with substorm onsets, Geophys. Res. Lett., 26 , 635, 1999.
  • N. Terada, S. Machida, and H. Shinagawa, Global hybrid simulation of the Kelvin– Helmholtz instability at the Venus ionopause, J. Geophys. Res., 107, 1471, doi:10.1029/2001JA 009224 , 2002.
  • S. Machida and C. K. Goertz, A Simulation study of the critical ionization velocity process, J. Geophys. Res., 91, 11965, 1986.