金星電離圏ドレイプ磁場とホール
惑星物理学研究室
柿並 義宏

目次
Pioneer Venus Orbiter について
金星電離圏の諸現象
電子温度・イオン温度(観測・モデル)
ドレイプ磁場
電離圏プラズマ運動(観測・モデル)
ホール
ドレイプ磁場
ホール内の電子温度
ホールに熱フラックスが存在したら?

Pioneer Venus Orbiter
1978年打ち上げ
1978-1992年観測
金星超高層大気に関する多くのデータを取得

搭載観測機器
Gas-Plasma Environment-Dual Frequency Experiment (OGPE)
Gamma Ray Burst Detector (OGBD)
Neutral Mass Spectrometer (ONMS)
Electric Field Detector (OEFD)
Ultraviolet Spectrometer (OUVS)
Infrared Radiometer (OIR)
Solar Wind Plasma Analyzer (OPA)
Atmospheric Drag (OAD)
Celestial Mechanics (OCM)
Internal Density Distribution (OIDD)
Electron Temperature Probe (OETP)
Radar Mapper (ORAD)
Cloud Photopolarimeter (OCPP)
Magnetometer (OMAG)
Ion Mass Spectrometer (OIMS)
Radio Occultation (ORO)
Retarding Potential Analyzer (ORPA)

電離圏の諸現象
太陽活動度大

電離圏の諸現象
太陽活動度小

イオン密度(観測)

電子温度・イオン温度(観測)
電子温度
経度依存なし
イオン温度
真夜中のほうが高い

電子温度・イオン温度(モデル)
電子
光電子
イオン
化学反応熱
ともにHeat Fluxがないと計算が合わない

夜電離圏(モデル)
磁力線

ドレイプ磁場(シース)

ドレイプ磁場(電離圏)
風見鶏

電離圏プラズマ流
東西非対称性あり
熱圏スーパーローテーション?
Terminator 付近で超音速
真夜中で乱流

2次元モデル
連続の式
運動方程式
エネルギーの式
磁場なし

2次元磁場モデル
連続の式
運動方程式
磁気誘導方程式
エネルギーの式は解かず

2次元ハイブリッドモデル
イオンは粒子、電子は流体として扱う
H+, O+, O2+, CO2+

ホールとは
ホール

ホールの主な特徴
電子密度の局所的減少 [Brace et al., 1980, 1982]
強い磁場強度
夜側に観測
準静的 (磁気圧とプラズマ圧がバランス) [Brace et al., 1982]
Bi-maxwellian 電子温度 [Brace et al., 1982]
IMF が磁場の極性をコントロール[Marubashi et al., 1985]
上昇流がある[Hartle et al., 1990]

ホール形成

電離圏ドレイプ磁場の今までの認識
太陽風動圧によって形状が異なる
でもホールはいつでも出ているようだ

ドレイプ磁場
赤道・低動圧

ドレイプ磁場
赤道・高動圧

ドレイプ磁場
中緯度・高動圧

ドレイプ磁場
想像図

2種類のタイプの電子温度
高度
磁場の傾斜角

ホールの電子温度計算

電子温度計算結果
密度が低くなるほど温度は高くなる
プラズマ密度が低いために中性大気に効率的にエネルギーを渡せない
冷えない

中まとめ
高い電子温度のホールには熱フラックスが必要であろう
低い電子温度のホールは熱を遮断

熱フラックスを与えるとプラズマは流出するか?
1次元の方程式(磁力線方向)

計算条件
計算間隔: 50km
計算高度: 150-2150km
下部境界
O+: 104 cm-3, 1000 K
H+: 103 cm-3, 1000 K
熱フラックス: 8.9x109 eV/cm2・s
中性大気なし
O+, H+で別々に計算
初期条件
電子温度, イオン温度, 全高度で一定 (スケールハイト一定)
静水圧平衡
計算スキーム
CIP-CUP 法 (圧力に関してはSOR法で解く)

計算結果: 電子温度
10秒程度で定常状態
熱伝導が卓越しているので密度が変化してもほとんど変わらない

計算結果: O+
密度プロファイル

計算結果: O+
圧力プロファイル

計算結果: O+
速度プロファイル

計算結果: H+
密度プロファイル

計算結果: H+
速度プロファイル

プラズマ流出量
プラズマの流出量(1000秒平均)
O+:4.2x1010個/m2・s
H+:8.5x1011個/m2・s
ホールからの流出量
直径1000kmの円
O+: 3.3x1022個/s, H+: 6.7x1023個/s
内円2000km, 外円3000kmのドーナツ状
O+: 1.6x1023個/s, H+: 3.3x1024個/s

まとめ
熱フラックスが存在すると電子の圧力勾配が変化し、プラズマは鉛直上向きに加速され、プラズマが流出する可能性がある
ホールからのプラズマ流出は電子の加熱があれば可能(特別なプロセスは不要)

課題・問題点
課題
中性大気との相互作用
現実的な密度プロファイルからの計算
H+とO+を同時に解く
HとO+ (3.75x10-10 cm3s-1), O+とH (6.4x10-10 cm3s-1)の電荷交換反応などの化学反応の計算
問題点
温度が下がりすぎて負になってしまう