[論文レビュー] Determination of coronal temperatures from electron density profiles

J. Lemaire|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 29被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、白熱光（WL）電子密度測定からコロナ温度プロファイルを導出するための3つの手法—スケールヘイト（shm）、静的平衡（hst）、ダイナミック（dyn）—を導入し、比較している。dyn手法は、拡張速度を自由パラメータとして持つ流体力学的方程式を解くものであり、特に高高度でより物理的に整合性のある温度分布を提供し、コロナ加熱の最大領域を特定する。

ABSTRACT

The most popular method for determining coronal temperatures is the scale-height-method (shm). It is based on electron density profiles inferred from White Light (WL) brightness measurements of the corona during solar eclipses. This method has been applied to several published coronal electron density models. The calculated temperature distributions reach a maximum at r > 1.3 RS, and therefore do not satisfy one of the conditions for applying the shm method. Another method is the hydrostatic equilibrium method (hst), which enables coronal temperature distributions to be determined, providing solutions to the hydrostatic equilibrium equation. The temperature maximas using the hst method are almost equal to those obtained using the shm method, but the temperature peak is always at significantly lower altitude when the hst-method is used than when the shm-method is used. A third and more recently developed method, dyn, can be used for the same published electron density profiles. The temperature distributions obtained using the dyn method are regular solutions of the hydrodynamic equations. They depend on the expansion velocity of the coronal plasma considered as a free input parameter in the calculations. At the base of the solar corona, where the coronal bulk velocity is small (subsonic), the dyn and hst methods give similar temperature values. Larger differences are found at higher altitudes where the expansion velocity approaches and exceeds the velocity of sound. This paper shows also the effects of the flow tube geometry and ion temperatures on the electron temperature distributions. The dyn method is a generalization of the hst method, where the electron temperature distribution tends to zero at infinite radial distances. It is a new diagnostic tool for determining from WL coronal observations the range of radial distances where the coronal heating rate is at its maximum.

研究の動機と目的

• 白熱光（WL）電子密度プロファイルからコロナ温度を推定するためのスケールヘイト法（shm）、静的平衡法（hst）、ダイナミック法（dyn）を評価・比較すること。
• スケールヘイト法における物理的不整合を是正すること。この手法は、r > 1.3 RS で温度最大値を生じさせ、その前提条件を破る。
• 拡張速度を入力パラメータとする流体力学的方程式に基づくダイナミック（dyn）手法が、特に高高度でより現実的な温度プロファイルをもたらすことを示すこと。
• 流れ管の幾何学的形状およびイオン温度が電子温度分布に与える影響を調査すること。
• dyn手法を診断ツールとして用い、コロナ加熱率が最大になる半径領域を特定すること。

提案手法

• 太陽日食観測で得られた公表済みの白熱光（WL）電子密度プロファイルにスケールヘイト法（shm）を適用する。
• 静的平衡法（hst）を用いて静的平衡方程式を解き、力のバランスを仮定した上で温度プロファイルを導出する。
• ダイナミック（dyn）手法を導入し、質量、運動量、エネルギー保存則を含む完全な流体力学的方程式を、拡張速度を自由入力パラメータとして解く。
• すべての3つの手法による温度分布を、半径距離にわたって比較し、温度最大値の位置と大きさに注目する。
• dyn手法に流れ管の幾何学的形状およびイオン温度の効果を組み込む。
• dyn手法の漸近的挙動—無限大の半径距離で温度が0に近づく—を物理的制約として用い、解の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜスケールヘイト法は、r > 1.3 RS で温度最大値を生じさせ、自らの仮定に反するのか？
• RQ2 同じ電子密度データから、静的平衡（hst）法とダイナミック（dyn）法がコロナ温度プロファイルを予測する際、どのように比較されるか？
• RQ3 プラズマの拡張速度が、特に高高度での導出温度プロファイルに与える影響は何か？
• RQ4 流れ管の幾何学的形状およびイオン温度が、推定される電子温度分布に与える影響は何か？
• RQ5 ダイナミック法により、コロナ加熱率が最大になる半径距離はどの位置か？

主な発見

• スケールヘイト法（shm）は、r > 1.3 RS で温度最大値を生じさせ、スケールヘイト以下に温度がピークするという条件を破るため、物理的に整合性がない。
• 静的平衡法（hst）は、shm法よりも顕著に低い高度で温度最大値を示すが、依然としてプラズマの拡張を考慮していない。
• ダイナミック（dyn）手法は、流体力学的方程式に対して規則的な解を提供し、特に拡張速度が音速に達するかそれを上回る高高度で、物理的期待と整合する温度プロファイルを生成する。
• コロナの基部（低拡張速度）では、dyn法とhst法が類似した温度値を示すが、半径距離が増加するにつれて差が拡大する。
• dyn手法は、無限大の半径距離で電子温度が0に近づくことを予測し、物理的に妥当な漸近的条件を提供する。
• dyn手法は、コロナ加熱が最大になる半径領域を特定でき、白熱光観測を用いたコロナ加熱機構の研究に新たな診断ツールを提供する。