2025/03/31 更新

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ワタナベ　トモヒコ
渡邉　智彦
WATANABE Tomohiko
所属
大学院理学研究科 理学専攻 物理学第二 教授
大学院担当
大学院理学研究科
学部担当
理学部
職名
教授

学位 1

  1. 博士（理学） （ 1993年3月   東北大学 ） 

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論文 105

  1. Comprehensive gyrokinetic study of eigenstate transitions in fast ion-driven electrostatic drift instabilities 査読有り

    B.J. Kang a, H. Sugama, T.-H. Watanabe, M. Nunami

    Physics Letters A   535 巻   頁： 130278-1 - 130278-20   2025年1月

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    記述言語：英語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    DOI： 10.1016/j.physleta.2025.130278

  2. Convective Growth of Auroral Arcs Through the Feedback Instability in a Dipole Geometry 査読有り

    T. Sakaki, T.‐H. Watanabe, and S. Maeyama

    Journal of Geophysical Research: Space Physics   129 巻 ( 12 ) 頁： e2023JA032407-1 - e2023JA032407-12   2024年11月

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    記述言語：英語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    DOI： 10.1029/2023JA032407

  3. Rotating flux-tube model for local gyrokinetic simulations with background flow and magnetic shears 査読有り

    Shinya Maeyama, Tomo-Hiko Watanabe, Motoki Nakata, Masanori Nunami, Yuuichi Asahi, Akihiro Ishizawa

    Journal of Computational Physics   522 巻   頁： 113595-1 - 113595-19   2024年11月

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    記述言語：英語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    DOI： 10.1016/j.jcp.2024.113595

  4. Overview of multiscale turbulence studies covering ion-to-electron scales in magnetically confined fusion plasma 査読有り 国際共著

    Maeyama, S; Howard, NT; Citrin, J; Watanabe, TH; Tokuzawa, T

    NUCLEAR FUSION   64 巻 ( 11 )   2024年11月

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    記述言語：英語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    DOI： 10.1088/1741-4326/ad34e1

    Web of Science

  5. Time evolutions of information entropies in a one- dimensional Vlasov–Poisson system 査読有り

    K. Maekaku, H. Sugama, and T.-H. Watanabe

    Physics of Plasmas   31 巻   頁： 102101-1 - 102101-25   2024年10月

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    担当区分：最終著者   記述言語：英語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    DOI： 10.1063/5.0227622

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講演・口頭発表等 153

  1. Drift wave instabilities and turbulence in magnetized plasmas 招待有り 国際会議

    T.-H. Watanabe

    1st Plasma Astrophysics School and Workshop (PASW25)  2025年3月27日 

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    開催年月日： 2025年3月

    記述言語：英語   会議種別：口頭発表（招待・特別）  

    開催地：HUST, Wuhan   国名：中華人民共和国  

  2. 磁気圏型プラズマにおけるドリフト波不安定性のジャイロ運動論解析

    渡邉智彦,　 藤田慶二,　前山伸也

    日本物理学会2025年春季大会  2025年3月18日 

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    開催年月日： 2025年3月

    記述言語：日本語   会議種別：口頭発表（一般）  

    開催地：オンライン  

  3. Simulation of auroral formation and dynamics by means of an interdisciplinary approach of fusion and space research 招待有り 国際会議

    T.-H. Watanabe

    7th ISEE symposium  2025年3月7日 

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    開催年月日： 2025年3月

    記述言語：英語   会議種別：口頭発表（招待・特別）  

    開催地：Nagoya University   国名：日本国  

  4. 双極子磁場配位に向けたジャイロ運動論的シミュレーションの拡張

    渡邉智彦,　 藤田慶二,　前山伸也

    SGEPSS2024年秋季大会  2024年11月26日 

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    開催年月日： 2024年11月

    記述言語：日本語   会議種別：口頭発表（一般）  

  5. 強い磁場不均一性を持つ閉じ込め配位のためのジャイロ運動論的シミュレーションの拡張

    渡邉智彦,　 藤田慶二,　前山伸也

    第41回プラズマ・核融合学会年会  2024年11月19日 

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    開催年月日： 2024年11月

    記述言語：日本語   会議種別：ポスター発表  

    開催地：タワーホール船堀  

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科研費 8

  1. 高精度プラズマ運動論モデルの構築とエネルギー・運動量・エントロピーバランスの解析

    研究課題/研究課題番号：24K07000  2024年4月 - 2027年3月

    科学研究費助成事業  基盤研究(C)

    洲鎌 英雄, 渡邉 智彦

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    担当区分：研究分担者 

    本研究では、磁場閉じ込めプラズマにおけるプラズマの密度・温度・フロー分布や3次元的局所輸送過程を定量的に正確に予測できる理論・シミュレーションモデルを構築する。粒子・熱・乱流輸送に加えて、異種粒子間(特に電子・イオン間)や波動・粒子間のエネルギー交換ならびにプラズマ加熱過程に対して、微視的乱流はどのようなに影響を及ぼすか、また、乱流輸送・乱流エネルギー交換過程における位相空間上の粒子分布関数構造やそれに伴うエント ロピー生成はどのようになるかを明らかにする。

  2. オーロラ構造形成とダイナミクス・粒子加速の第一原理解析

    研究課題/研究課題番号：22H00116  2022年4月 - 2026年3月

    科学研究費助成事業  基盤研究(A)

    渡邉 智彦, 前山 伸也, 能勢 正仁

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    担当区分：研究代表者 

    配分額：40950000円 （ 直接経費：31500000円 、 間接経費：9450000円 ）

    本研究では、オーロラの構造形成とダイナミクスに関する物理機構、ならびに、オーロラ電子加速機構について、プラズマ物理学の第一原理にもとづいた理論・数値シミュレーションによる解明を目指す。スーパーコンピュータを用いた磁気圏-電離圏結合系のシミュレーションを行い、オーロラの大域的な成長と微細渦構造の形成・動的発展、さらに、オーロラ構造の非線形発達とオーロラ電子加速を同時に再現する世界初の成果を目指す。加えて、衛星および地上観測との比較により、理論の検証を行う。これらを通じ、オーロラ現象をプラズマ物理学の問題として位置付け、オーロラの構造形成と動態の謎、オーロラ粒子加速の謎に挑む。
    磁気圏-電離圏結合の局所磁気流体モデルを用いた高解像度シミュレーションにより、オーロラ発達の非線形乱流状態におけるエネルギースペクトルが垂直方向波数の-5/3乗に比例することを同定した。これはFAST衛星の観測とよく一致する。さらに、磁場平行方向波数が垂直方向波数の3/2乗に比例することを同定し、磁気流体乱流理論による予測と対応する結果を見出した。
    磁場強度依存性を取り入れた粘性係数モデルを導出し、双極子磁場配位を用いた磁気圏-電離圏結合の非局所シミュレーションによりオーロラ発達の非線形発展と乱流遷移過程の再現に成功した。フィードバック不安定性の非線形飽和時に現れるケルビン・ヘルムホルツ（K-H）不安定性により渦構造が形成され、後に乱流状態へ遷移すること、また、十分に発達した乱流状態では、オーロラにともなう乱流揺動が緯度方向へと広がる現象を新たに見出した。
    ジャイロ運動論を用いたオーロラ発達の非線形シミュレーションに初めて成功し、磁気流体モデルを用いた場合と同様に、２次的なK-H不安定性が発生し、乱流遷移が生じることを示した。これと同時に、分散性アルヴェン波にともなう磁場平行方向の電場により、電子加速が生じることを明らかにした。
    2022年3月5日にアラスカ・ポーカーフラットから打ち上げられた科学観測ロケットに磁気インピーダンスセンサーを用いた磁力計を搭載し、脈動オーロラに伴う磁場変動観測を行った。この観測と薄層近似した電離圏への電子降下によるオーロラパッチモデルの計算結果を比較した結果、脈動オーロラパッチは、極側に下向きで赤道側に上向きの1対の沿磁力線電流を伴い、この電流により磁場変動が生じていると結論付けた。
    局所磁気流体モデルを用いた磁気圏-電離圏結合のシミュレーションにおいて、不安定性によって自発的に駆動される乱流が、理論や観測結果と非常に良い一致を示すなど、期待していた以上の成果が得られている。非局所モデルを用いた非線形解析においても、乱流揺動の広がりなどの新たな現象が見出された。ジャイロ運動論を用いた非線形シミュレーションにも成功し、課題は順調に進展している。
    当初計画通り、非線形磁気流体モデルを用いた非局所シミュレーションを経度方向により大規模なスケールへと拡張し、対流電場分布による効果を調べる。また、ジャイロ運動論的シミュレーションの空間解像度をより向上させるとともに、非線形加速項や双極子磁場形状の導入を進める。

  3. 磁気圏プラズマのホリスティックな構造と動態：オーロラに注目して

    研究課題/研究課題番号：17H01177  2017年4月 - 2022年3月

    科学研究費助成事業  基盤研究(A)

    吉田 善章, 渡邉 智彦, 沼田 龍介, 西浦 正樹, 齋藤 晴彦, 佐藤 直木, 釼持 尚輝

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    担当区分：研究分担者  資金種別：競争的資金

    配分額：400000円 （ 直接経費：120000円 ）

    本研究は，天体の近傍に形成されるプラズマの渦システムである「磁気圏」について，その幾何学的特徴づけ，形成メカニズム，磁気圏中で励起される様々な揺らぎ，とくに渦線方向の対称性とその破壊がもたらすダイナミクスを研究した．「渦」は，物体の運動であると同時に，運動を規定する時空の構造でもある．磁気圏を具体的な例とし，運動と時空の自己無撞着な関係を定式化した．物質場のエネルギーが高まると，磁気圏の時空を表すメトリックが物質場に強く影響され，磁気圏の形状が変化することを具体的に数値計算によって示した．また，磁力線方向のダイナミクス（対称性の破壊）がミクロとマクロの階層連結を引き起こすことを明らかにした．
    「渦」は流転する万象を表象する．幾何学的構造であると同時に運動の様相でもある．渦は自然界に普遍的に存在する典型的な構造であるとともに，数学的にも様々なアイデアを喚起するテーマである．私たちは，天体の近傍において形成されるプラズマの渦システムである「磁気圏」に注目し，理論，シミュレーション，実験を総合した研究によって，渦現象がもつ普遍的な性質の科学的特徴づけに挑戦した．
    オーロラは，磁気圏を特徴づける双極子磁場に沿った荷電粒子の運動によって引き起こされる現象であり，自然現象とその根底にある物理的原理を結びつける糸口であることが明らかになった．

  4. 位相空間揺動スペクトルから探る無衝突プラズマ乱流の非等方混合・散逸過程

    研究課題/研究課題番号：16H04086  2016年4月 - 2021年3月

    科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    渡邉 智彦, 前山 伸也

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    担当区分：研究代表者 

    配分額：11180000円 （ 直接経費：8600000円 、 間接経費：2580000円 ）

    宇宙や核融合の高温プラズマでは衝突が非常に小さくなるため、プラズマ中に生じたさまざまな揺らぎが最終的に熱に変換されるまでに、電磁場や分布関数の微細構造が実空間及び速度空間を合わせた位相空間上に形成される。本研究では、磁場中でのプラズマに発生する乱流を、スーパーコンピュータを用いた数値シミュレーションにより解析し、(1)オーロラにともなう電磁場変動が乱流状態を経て微細構造を生み出すこと、(2)ドリフト波乱流中の分布関数の速度空間スペクトルが冪乗則を持つこと、(3)揺動の伝達率が一定となる小領域が形成され、分布関数の微細構造形成に普遍性が現れること、を明らかにした。
    宇宙を構成する主要な物質である電離ガスをプラズマと呼ぶ。そこに現れる様々な構造や揺らぎが最終的に熱に変換されるまでにどのような過程を経るかを明らかにするための研究を実施した。その結果、プラズマ中の揺らぎには、実空間だけでなく様々な速度成分を持つ変動が発達することで効率的な散逸が起きるとともに、その分布には一定の法則性があることが明らかになった。これは宇宙空間や核融合装置でどのように熱が生まれるかという基本的な物理過程の一端を明らかにした成果といえる。

  5. ジャイロ運動論的シミュレーションによる非軸対称配位での異常輸送解析

    2012年4月 - 現在

    科学研究費補助金  基盤研究(C)

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    担当区分：研究代表者 

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担当経験のある科目 (本学) 3

  1. 物理学概論I

    2020

  2. プラズマ理論講究3

    2020

  3. プラズマ理論講究1

    2020

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