[論文レビュー] A Parametric Study of Erupting Flux Rope Rotation. Modeling the "Cartwheel CME" on 9 April 2008

B. Kliem, Tibor Török+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 57被引用数 29

ひとこと要約

本研究は、磁気流体力学（MHD）シミュレーションを用いて、太陽コロナにおける噴出するフラックスロープの回転運動を調査し、外部のせん断場と内部の磁気ねじれの役割に焦点を当てる。その結果、大規模な回転（例：約115°）を生じる主な要因は、せん断駆動型回転であり、kink不安定性による回転より優勢であることが判明した。また、弱いkink不安定性を示すフラックスロープ（Φ = 3.5π）のみが2008年4月9日のCartwheel CMEを正確に再現した。これは、このようなイベントにおける回転の主な駆動要因が外部のせん断場であることを示唆している。

ABSTRACT

The rotation of erupting filaments in the solar corona is addressed through a parametric simulation study of unstable, rotating flux ropes in bipolar force-free initial equilibrium. The Lorentz force due to the external shear field component and the relaxation of tension in the twisted field are the major contributors to the rotation in this model, while reconnection with the ambient field is of minor importance. Both major mechanisms writhe the flux rope axis, converting part of the initial twist helicity, and produce rotation profiles which, to a large part, are very similar in a range of shear-twist combinations. A difference lies in the tendency of twist-driven rotation to saturate at lower heights than shear-driven rotation. For parameters characteristic of the source regions of erupting filaments and coronal mass ejections, the shear field is found to be the dominant origin of rotations in the corona and to be required if the rotation reaches angles of order 90 degrees and higher; it dominates even if the twist exceeds the threshold of the helical kink instability. The contributions by shear and twist to the total rotation can be disentangled in the analysis of observations if the rotation and rise profiles are simultaneously compared with model calculations. The resulting twist estimate allows one to judge whether the helical kink instability occurred. This is demonstrated for the erupting prominence in the "Cartwheel CME" on 9 April 2008, which has shown a rotation of \approx 115 degrees up to a height of 1.5 R_sun above the photosphere. Out of a range of initial equilibria which include strongly kink-unstable (twist Phi=5pi), weakly kink-unstable (Phi=3.5pi), and kink-stable (Phi=2.5pi) configurations, only the evolution of the weakly kink-unstable flux rope matches the observations in their entirety.

研究の動機と目的

• 噴出するフラックスロープの太陽コロナ内での回転を引き起こす主な物理的メカニズムを特定すること。
• CMEにおける回転の主な駆動要因が、ヘリカルkink不安定性か外部のせん断場かを評価すること。
• 2008年4月9日付のCartwheel CMEで観測された回転プロファイルが、フラックスロープ噴出のMHDシミュレーションによって再現可能かどうかを評価すること。
• 観測的分析のため、ねじれとせん断の寄与を分離すること。
• 低密度コロナ条件における外部場の極性反転線（PIL）が、フラックスロープの回転をガイドするかを検証すること。

提案手法

• 初期ねじれ（Φ = 2.5π, 3.5π, 5π）とせん断場強度（B_et/B_ep = 0.67）を変化させた、不安定で回転するフラックスロープのパラメトリックMHDシミュレーション研究を実施。
• 圧力勾配の影響を分離するため、ゼロベータMHDモデルを用い、外部のトロイダル場成分（B_et）と内部のねじれヘリシティの役割に焦点を当てる。
• 修正されたTitov-Démoulinモデルから得られる初期平衡状態を用いたシミュレーションを実施し、力フリーおよび非力フリーの両配置を含む。
• Cartwheel CMEの観測結果（特に1.5 R⊙までで約115°の回転）と、シミュレートされた回転プロファイル（角度対高さ）を比較。
• フラックスロープの軸とその磁気ヘリシティの時間発展を分析し、せん断駆動型とねじれ駆動型の回転メカニズムを区別。
• 光球磁気計測のポテンシャル場外挿法を用いて真のコロナ磁場を近似し、CPIL（コロナPIL）が回転をガイドする役割を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部のせん断場と内部の磁気ねじれの、コロナ内での噴出フラックスロープの回転に及ぼす相対的寄与は何か？
• RQ2 2008年4月9日付のCartwheel CMEで観測された約115°の回転は、フラックスロープ噴出のMHDシミュレーションによって再現可能か？
• RQ3 低密度コロナにおける外部場の極性反転線（PIL）が、噴出するフラックスロープの回転をガイドするか？
• RQ4 ヘリカルkink不安定性がせん断駆動型回転を上回る条件は何か、逆に、せん断駆動型が優勢となる条件は何か？
• RQ5 観測された回転および上昇プロファイルを用いて、初期ねじれを推定し、kink不安定性の発生を特定可能か？

主な発見

• 大規模な回転（90°以上）では、せん断駆動型回転が支配的であり、これはフラックスロープが強くkink不安定であっても同様である。
• ねじれ駆動型回転は、せん断駆動型回転よりも低い高さで飽和するため、異なる動的時標を示している。
• 観測プロファイル（回転角と上昇高さを含む）を正確に再現できたのは、弱いkink不安定性を示すフラックスロープ（Φ = 3.5π）のみであった。
• Cartwheel CMEの回転プロファイルは、B_et/B_ep = 0.67の構成で最もよく一致し、顕著な外部せん断場が存在することを示唆している。
• 低密度コロナでは、外部場によって形成されるCPIL（コロナPIL）は、フラックスロープの回転をガイドしない。これは、必要な電流構造とローレンツ力が不足しているためである。
• 観測との比較により、ねじれとせん断の寄与を分離可能となり、初期ねじれとkink不安定性の有無を推定可能となった。