無衝突プラズマに対する変分原理を応用した磁気リコネクションの非線形解析

Nonlinear analysis of magnetic reconnection using variational principle for collisionless plasma

廣田 真; Morrison, P. J.*

Hirota, Makoto; Morrison, P. J.*

変分原理を応用した手法により、無衝突プラズマにおける磁気リコネクションの解析を行った。無衝突プラズマのモデル方程式は散逸を含まないため、ハミルトン力学系とみなすことができ、運動に対する変分原理が定式化できる。プラズマの流体要素の変位に対し、系のポテンシャルエネルギー(磁気エネルギーに相当)が減少する場合、そのような摂動が不安定であることが予測される。本研究では「電子慣性」を表す無散逸な特異摂動項が加わることで、磁気リコネクションを引き起こす不安定モードが加速的に成長することを示す。

Magnetic reconnection in collisionless plasma is studied by applying a technique that utilizes the variational principle. Following the fact that the model of collisionless plasma constitutes a Hamiltonian system, the corresponding variational principle is formulated, where the displacement field of the fluid elements is the dynamical variable to be varied. If the potential energy of this variational principle decreases with respect to some displacement field, such the fluid motion turns out to grow with the release of free energy. A rather simple fluid motion is enough to prove the occurrence of spontaneous magnetic reconnection which, moreover, accelerates in the nonlinear phase.