静電孤立波

宇宙物理学において、静電孤立波（ESW ）は、プラズマ中の短い時間スケール（平均電場の変動の一般的な時間スケールと比較した場合）で発生する電磁 ソリトンの一種です。磁場の方向と平行な方向の電場に急激な変化が生じ、この摂動が単極または双極の電位によって引き起こされた場合、それはESWに分類されます。^[1]

ESWの生成は主に乱流流体の相互作用に関連しているため、^[2]一部の実験では、測定されたプラズマの混合がどの程度無秩序であるかを比較するためにESWが使用されています。 ^{[3]そのため、ESWに関連する多くの研究は、乱流、カオス、不安定性、および}磁気再結合を中心に行われています。^{[4] [5] [6] [7]}

孤立波の発見は、一般的には1834年のジョン・スコット・ラッセルによるものとされ、^{[8]最初の数学的概念化は1871年に}ジョセフ・ブシネスクによって完成されました^[9]（その後、1876年にレイリー卿によって改良され普及しました^[10]）。しかし、これらの観察と解決は物理的媒体（通常は水）の振動に関するものであり、非粒子波（電磁波を含む）の挙動を説明するものではありませんでした。ESWが分類される媒体外の孤立波については、最初の主要な枠組みは1927年にルイ・ド・ブロイによって開発されたと思われますが、^[11]このテーマに関する彼の研究は一時的に放棄され、1950年代まで完了しませんでした。

静電構造は、1978年にドナルド・ガーネットとルイス・A・フランクによってホークアイ1号衛星のデータを使用して地球の極カスプ付近で初めて観測されました。 ^[12]しかし、1982年に地球の磁気圏内で静電孤立波を初めて観測したのはマイケル・テメリン、ウィリアム・ロトコ、フォレスト・モーザー、キース・チェルニー^{です。[13]}それ以来、さまざまな磁気圏衛星が静電孤立波を観測して記録し、静電孤立波と周囲のプラズマ状態の分析を可能にしました。^{[14] [15] [16]}

静電孤立波は、その性質上、プラズマの電界で発生する現象です。したがって、十分に短い時間枠内で電界の変化を測定できる機器であれば、ESW を技術的に検出できます。ただし、特定のプラズマの電界はプラズマの特性に応じて大きく変化する可能性があり、ESW は短い時間枠内で発生するため、ESW の検出には、電界自体の測定に加えて、データの追加のスクリーニングが必要になる場合があります。NASAの 磁気圏マルチスケール ミッション(MMS) によって実装された、ESW 検出のこの障害に対する 1 つの解決策は、デジタル信号プロセッサを使用して電界データを分析し、短時間のスパイクを ESW の候補として分離することです。^[17]次の検出アルゴリズムは MMS に固有のものですが、他の ESW 検出アルゴリズムも同様の原理で機能します。^{[15] [18] [19] [20]}

ESW を検出するには、電界を測定するデバイスからのデータをデジタル信号プロセッサに送ります。このデータは、短い時間枠 (MMS の場合は 1 ミリ秒) にわたって分析され、その時間枠内の平均電界強度と最大電界強度の両方が取得されます。ピーク電界強度が平均電界強度の倍数 (MMS では電界強度の 4 倍) を超えると、その時間枠に ESW が含まれていると判断されます。^[17]これが発生すると、ESW はピーク電界強度に関連付けられ、それに応じて分類されます。これらのアルゴリズムは、時間枠と検出乗数の両方が、検出したいパラメータに基づいて科学者によって選択されるため、検出の成功度が異なります。そのため、これらのアルゴリズムには、偽陽性と偽陰性が含まれることがよくあります。^[17]

ESW の主な物理的影響の 1 つは、低速電子がESW の発生源の近くに留まるのを防ぐ構造の一種である電子位相空間ホールの生成です。^{[21]これらの位相空間ホールは、ESW 自体と同様に、周囲のプラズマを安定して移動できます。ほとんどのプラズマは全体的に}電気的に中性であるため、これらの位相空間ホールは最終的に正の擬似粒子として振る舞うことがよくあります。^[1]

一般的に、電子位相空間ホールを形成するには、 ESW の電位に関連する電位エネルギーがプラズマ内の電子の運動エネルギーを超える必要があります (電位丘に類似した動作)。研究により、これが自然に発生する可能性のある状況の 1 つは運動不安定性であることが示されています。^{[2]この観測された例の 1 つは、地球の}バウショックと磁気圏界面の近くでこれらのホールの発生が増加していることです。ここでは、入射する太陽風が地球の磁気圏と衝突してプラズマに大きな乱流が発生します。^[22]

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a. ^他の 3 人の共著者の身元は確実にわかっていますが、論文の出版後の K. チェルニーの経歴については文書化が不十分です。卒業に関連するファーストネーム、日付、学校、専攻から、論文にクレジットされている K. チェルニーはKeith Cernyであることが強く示唆されますが、これは (現時点では) 未確認です。