研究室VOICE プラズマとコンピュータシミュレーション

プラズマが電離した気体という程度の知識はもっている人は多いと思いますが、物理的にプラズマと呼べるためには条件があり、電離気体であってもこの条件を満たさないものはプラズマとは呼びません。プラズマは、私たちの日常生活の中では、特殊なものですが、宇宙全体を見渡すとあらゆるところに存在しています。宇宙にある物質の99.9％以上がプラズマであるとも言われており、宇宙の生成や生命の誕生などあらゆる事象にかかわりがあります。プラズマは、密度が1m³当たり、太陽のような恒星中心の10³¹個くらいから真空に近い宇宙空間の10⁴個くらいまで、大きな差があるにもかかわらず、プラズマとして多くの共通した性質を持っています。ほとんどの物質は1万度以上になるとプラズマ状態になり、核融合プラズマでは反応が起こると10億度以上にもなります。
このように広い密度及び温度範囲をもつプラズマは、多くの共通した性質を持ちますが、それぞれの温度や密度で特有の性質も持っています。電荷をもつイオンと電子からなるプラズマ中には電場が発生し、プラズマが動くと電流が流れ磁場が発生します。微視的にみると電荷を持った粒子としての性質を持ち、集団としてみると電磁流体として振る舞います。熱伝導という一見単純そうな現象も、電磁界や輻射というような様々な現象と繋がっています。

このように様々な物理過程が複合したプラズマの多くは特殊な環境下や宇宙といった手の届かないところにあるため、実験的に直接調べることができるのはほんの一部でしかありません。そこでこのようなプラズマの性質を知るためにつかわれているのがコンピュータによる数値解析、コンピュータシミュレーションです。コンピュータシミュレーションでは、プラズマの持つ様々な特性を数式化又は数値化してプログラムとして組み込みます。図はプラズマ中の剪断流による渦と磁場の発生例です。数式や数値で表現できるものならどんな現象も組み込むことができ、物理パラメータを任意の値に設定して解析出来るという大きな利点があります。しかしコンピュータシミュレーションで使われる様々な物理的現象を数式で表したモデルは近似的表現であり実際の現象を完全に再現できるとは限りません。計算や解析を積み重ねていって結果の検証を繰り返し、シミュレーションにより何か新しい発見ができることを期待して研究を進めています。