研究
◇Title
Vlasov simulation of qussi-parallel propagating Alfven waves : parametric instability of Alfven waves
Vlasov simulation is a numerically stable method to solve time evolution of a plasma by directly time advancing the distribution function in the position-velocity phase space While particle simulations, such as by PIC (particle-in-cell) simulations are widely used to investigate the kinetic properties of a plasma, these methods cannot avoid statistical fluctuation (numerical noise) arising from the use of finite number of particles. To keep numerical noise low, a large number of particles are needed. Unlike conventional PIC simulations, the Vlasov simulation is free from thermal (numerical) noise, and thus is advantageous in analyzing fine details of nonlinear plasma phenomena. On the other hand, Vlasov simulations require huge computational resource especially for multi-dimensional calculations. Recent advances in computing power and computational schemes, however, make it possible to execute relatively large scale calculations. It is expected that the Vlasov simulations will be used for increasingly wider applications in the future.
With this background in mind, we have developed a new Vlasov simulation code (1-d in configuration space, 3-d in the velocity space), named Vlasov-Hall-MHD code , in order to study basic properties of nonlinear evolution of magnetohydrodynamic (MHD) waves, in particular, quasi-parallel (to the background magnetic field) propagating Alfven waves in the solar wind. Quasi-parallel propagating Alfven waves are thought to be ubiquitous in many astrophysical situations, for instance in the solar wind, solar corona, interstellar matter, magnetosphere among others, and are thought to play important roles in the physical processes in these regions. Because they are typically robust for linear ion-cyclotron damping due to their small wave frequencies and for linear Landau damping due to their small propagation angle relative to the background magnetic field, Alfven waves are thought to propagate very long distance. Thus dissipation process of Alfven waves is important from a viewpoint of the momentum and energy transport. At present, parametric instability regarded as one of the most important processes responsible for the dissipation of Alfven waves.
With our new Vlasov code, numerical simulations of parametric instability of Alfven waves are carried out. Here we introduce some results of the simulations.
◇タイトル
準平行伝播Alfven波のヴラソフシミュレーション：Alfven波のパラメトリック不安定性解析
ヴラソフシミュレーションはMaxwell方程式とともにVlasov方程式の位相空間内での時間発展を解くことによりプラズマの振る舞いを求めるシミュレーション手法です．従来，プラズマの数値シミュレーションにおいては粒子コード(PIC(particle-in-cell)やHybrid)が広く用いられてきましたが，これらのコードは有限個の粒子数に起因する熱ゆらぎの影響から逃れることが出来ず，数値ノイズが入り込んでしまうという欠点がありました。その点，ヴラソフコードは直接プラズマ分布関数を解くため，非常に低ノイズでの解析が可能です。従ってヴラソフシミュレーションによって，粒子シミュレーションではノイズに隠れて見えなかった微細な情報を得ることができると考えられています．その一方，多次元計算では計算負荷が高く，膨大な計算時間およびメモリー量を必要とするのがヴラソフシミュレーションの欠点でしたが，近年の計算機能力の向上及び計算スキームの発展にともない，今後多くの応用が期待されています．
このような背景を踏まえ，我々は宇宙プラズマ中磁気流体（ＭＨＤ）波動の非線形発展における運動論的効果を精度よく解析することを目的に，ヴラソフシミュレーションを始めました．本研究では空間１次元，速度空間３次元の系を考え，太陽風中の準平衡伝播するMHD波動を解析対象としています．そこで太陽風中の長波長Alfven波においてはサイクロトロン減衰が小さいことをふまえ，縦方向の発展のみをVlasov方程式で解き，横方向についてはMHD近似で解くVlasov-MHDコードを独自に開発しました．このコードの特徴として次の３つのことが挙げられます．
・縦方向をVlasov方程式，横方向をMHD方程式で解く．
・電子は流体として扱い，空間内では等温であると仮定し，さらにその質量を無視する．
・空間1次元＋速度空間3次元の位相空間内で解く．
これらの工夫・過程を行うことでヴラソフシミュレーションの欠点である計算負荷を大幅に削減することが可能となりました。また太陽風中の長波長Alfven波は伝播角や周波数が小さいという性質から無衝突減衰はほとんど起こさず，長距離伝搬すると考えられています．この性質からAlfven波の減衰過程はエネルギー，運動量などの輸送という観点から非常に重要視されています．また現在その減衰過程として最も重要視されている現象の一つにパラメトリック不安定性（複数の波の共鳴による波動間エネルギー輸送）があり，本研究ではAlfven波がこのパラメトリック不安定性を通じて他の波を励起する様子のシミュレーションも試みています．
参加学会等
□ 2008年10月09日〜10月12日
2008年 SGEPSS秋学会 in 仙台
口頭発表
準平行伝播Alfven 波のパラメトリック不安定性のヴラソフシミュレーション：波動の長時間発展と粒子加速
アブストラクト(.pdf)
ポスター発表
準平行伝播Alfven波の自己変調不安定性のヴラソフシミュレーション
アブストラクト(.pdf)
□ 2008年09月08日〜09月12日
International Congress on Plasma Physics (ICPP2008) in 福岡
ポスター発表
Vlasov simulation of finite amplitude magnetohydrodynamic waves in solar wind : parametric instability of Alfven waves
プログラム(.pdf)
□ 2008年08月18日〜08月20日
2008年 夏の学校 in 河口湖
口頭発表
VHMコードとボクと、時々、Alfven波のパラメトリック不安定性
アブストラクト(.pdf) 予稿集(p.29)
口頭発表(.pdf)
□ 2008年05月25日〜05月30日
日本地球惑星科学連合大会 in 幕張
ポスター発表
太陽風中を伝播する有限振幅磁気流体波のブラソフシミュレーション：Alfven 波のパラメトリック不安定性解析
アブストラクト(.pdf)
□ 2007年11月15日〜11月16日
SGEPSS 波動分科会 in 福井
ポスター発表
有限振幅磁気流体波動のVlasov simulation : Alfven波の崩壊不安定性解析
アブストラクト
□ 2007年09月28日〜10月01日
2007年 SGEPSS秋学会 in 名古屋
ポスター発表
有限振幅磁気流体波動のブラソフシミュレーション
アブストラクト(.pdf)
□ 2007年08月27日〜08月29日
2007年 夏の学校 in 志賀島
口頭発表・ポスター発表
有限振幅磁気流体波動のVlasov simulation
アブストラクト(.pdf) 予稿集(口頭 - p.27 ポスター - p.35)
口頭発表(.pdf)
ポスター発表(.pdf)
