[論文レビュー] A persistent quiet-Sun small-scale tornado. II. Oscillations

Tziotziou, K., Tsiropoula, G.+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2019

Meteorological Phenomena and Simulations被引用数 19

ひとこと要約

本研究は、HαおよびCa ii 8542 Å線を用いた高分解能CRISP観測により、持続的で1.7時間にわたる静穏サンの渦流（小規模なトルネードに類似）における周期的ダイナミクスを調査した。3–5分の振動が顕著に観測され、ピークは4分に達する。200–220秒のスイング運動と、高度とともに増加する回転周期（Hαでは270秒、Ca ii 8542 Åでは215秒）が観測され、剛体回転でないことを示し、消失波、磁気音圧波、アルフエング波の存在を示唆する。これは、中心の渦が『中心エンジン』として機能する磁気的支撐構造であることを示している。

ABSTRACT

Recently, the characteristics, and dynamics of a persistent 1.7 h vortex flow, resembling a small-scale tornado, have been investigated with ground-base and space-based observations and for the first time in the Ha line centre. The vortex flow showed significant substructure in the form of several intermittent chromospheric swirls. We investigate the oscillatory behaviour of various physical parameters in the vortex area, with a 2D wavelet analysis performed within the vortex flow area and in a quiet-Sun region (for comparison), using the same high spatial and temporal resolution Ha and Ca II 8542 CRISP observations, as well as Doppler velocities and FWHM derived from the Ha line profiles. The vortex flow shows significant oscillatory power in the 3-5 min range that peaks around 4 min and behaves differently than the reference quiet-Sun region. Oscillations reflect the cumulative action of different components such as swaying motions, rotation, and waves. The derived swaying motion periods are in the range of 200-220 s, and the rotation periods are ~270 s for Ha and ~215 s for Ca II. Periods increase with atmospheric height and seem to decrease with radial distance from the vortex centre, suggesting a deviation from a rigid rotation. The behaviour of power within the vortex flow as a function of period and height implies the existence of evanescent waves and the excitation of different types of waves, such as magnetoacoustic (e.g. kink) or Alfven waves. The vortex flow seems to be dominated by two motions: a transverse (swaying) motion, and a rotational motion while oscillations point to the propagation of waves within it. Nearby fibril-like flows could play an important role in the rotational modulation of the vortex flow. Indirect evidence exists that the structure is magnetically supported while the central swirl seems to be acting as a "central engine" to the vortex flow.

研究の動機と目的

• 1. 持続的で静穏サンの渦流内の物理的パラメータの周期的挙動を調査すること。
• 2. 振動周期が渦の中心からの高さおよび半径方向距離にどのように変化するかを特定すること。
• 3. 渦内に励起された波動の性質（磁気音圧波およびアルフェンモードを含む）を同定すること。
• 4. 渦が磁気的支撐構造であるかどうか、および中心の渦が渦の運動を駆動する要因（『中心エンジン』）として機能しているかどうかを評価すること。
• 5. このような長期間にわたる小規模な太陽渦流における、初めての包括的スペクトル解析を提供すること。

提案手法

• 1. HαおよびCa ii 8542 Å線のプロファイルの高空間・高時間分解能CRISP観測データを用い、2次元ウェーブレット解析を実施した。
• 2. Hα線プロファイルから導出されたドップラー速度および半値全幅（FWHM）を分析し、周期的信号を抽出した。
• 3. 渦内および基準となる静穏サン領域における半径方向および円形スライスに沿ったスペクトル解析を実施し、比較を行った。
• 4. ウェーブレットパワー スペクトルを用いて、支配的振動周期およびその空間的・時間的変化を、大気の高さにわたり特定した。
• 5. 渦内の振動パワーと静穏サン領域のものを比較し、渦特有のダイナミクスを分離した。
• 6. 振動周期の半径および高さ依存性の変化を調査し、回転運動およびスイング運動を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1. 渦内における支配的振動周期は何か。また、それらは大気の高さおよび中心からの半径方向距離にどのように変化するか。
• RQ2 2. 観測された振動は、スイング運動、回転運動、または波動的挙動と整合的か。それらの特徴的な周期は何か。
• RQ3 3. 渦内で励起された波動の種類（例：磁気音圧波、アルフェン波）は何か。それらの存在を示す証拠は何か。
• RQ4 4. 渦構造は磁気的支撐であるか。中心の駆動要因（『中心エンジン』）の証拠はあるか。
• RQ5 5. 渦内の振動特性は、周囲の静穏サン領域とどのように異なるか。

主な発見

• 1. 渦流は3–5分の範囲で顕著な周期的パワーを示し、ピークは4分に達する。また、すべての大気の高さで10分までパワーが延びる。
• 2. スイング運動の周期は200–220秒であり、渦構造内での横方向振動を示している。
• 3. 回転周期はHαでは約270秒、Ca ii 8542 Åでは約215秒であり、大気の高さとともに増加している。
• 4. 振動周期は渦の中心からの半径距離とともに短くなるため、剛体回転から逸脱しており、準剛体または非一様回転を示唆している。
• 5. 力学的パワーの周期および高さ依存性の変化から、消失波の挙動が示され、渦構造内での波の閉じ込めや反射を示唆している。
• 6. HαおよびCa ii 8542 Å線の中心部でパワーが強化されている中心の渦が、振動スペクトルを支配しており、おそらく渦の流れを駆動する『中心エンジン』として機能していると考えられる。