[論文レビュー] Dynamical Relaxation of Coronal Magnetic Fields. III. 3D Spiral Nulls

Jorge Fuentes-Fernández, C. E. Parnell|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2012

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、初期スパイン方向電流を有する3次元スパイラル磁気的ノードポイントの非抵抗性・粘性緩和を、完全なMHDコードを用いて平衡状態の形成をシミュレートする。軸対称の場合、電流はスパインに沿って円錐状領域に集中し、非力自由平衡状態を形成する。非軸対称の場合、軸対称性が破れたために、ノードのファン平面に垂直な方向に無限時間にわたる電流特異性が発生し、新たな磁気再結合のメカニズムの可能性を示唆する。

ABSTRACT

Context: The majority of studies on stressed 3D magnetic null points consider magnetic reconnection driven by an external perturbation, but the formation of a genuine current sheet equilibrium remains poorly understood. This problem has been considered more extensively in two-dimensions, but lacks a generalization into 3D fields. Aims: 3D magnetic nulls are more complex than 2D nulls and the field can take a greater range of magnetic geometries local to the null. Here, we focus on one type and consider the dynamical non-resistive relaxation of 3D spiral nulls with initial spine-aligned current. We aim to provide a valid magnetohydrostatic equilibrium, and describe the electric current accumulations in various cases, involving a finite plasma pressure. Methods: A full MHD code is used, with the resistivity set to zero so that reconnection is not allowed, to run a series of experiments in which a perturbed spiral 3D null point is allowed to relax towards an equilibrium, via real, viscous damping forces. Changes to the initial plasma pressure and other magnetic parameters are investigated systematically. Results: For the axi-symmetric case, the evolution of the field and the plasma is such that it concentrates the current density in two cone-shaped regions along the spine, thus concentrating the twist of the magnetic field around the spine, leaving a radial configuration in the fan plane. The plasma pressure redistributes in order to maintain the current density accumulations. However, it is found that changes in the initial plasma pressure do not modify the final state significantly. In the cases where the initial magnetic field is not axi-symmetric, a infinite-time singularity of current perpendicular to the fan is found at the location of the null.

研究の動機と目的

• 初期スパイン方向電流を有する3次元スパイラルノードポイントの動的で抵抗なしの緩和を理解すること。特に、電流の蓄積と平衡状態の形成に注目する。
• プラズマ圧力が3次元磁気的ノードポイントの最終平衡状態に与える影響、特に非軸対称配置においてどのように作用するかを調査すること。
• 抵抗的再結合を伴わず、粘性減衰力のみを用いて、3次元スパイラルノードポイントに真の磁気流体静的平衡状態が達成可能かどうかを特定すること。
• 3次元ノードポイントにおける軸対称性の破れから生じる新たな電流特異性および再結合のメカニズムを同定すること。
• 2次元での電流蓄積の知見を、複雑な場のトポロジーを有する3次元幾何構造、特にスパイラルノードに一般化すること。

提案手法

• 磁気再結合を防ぐために抵抗率ゼロの完全3次元磁気流体(MHD)コードを用い、平衡状態への緩和を粘性減衰力のみで駆動する。
• 初期条件として、均一なスパイン方向電流密度と有限なプラズマ圧力を有する3次元スパイラルノードポイントを設定し、シミュレーション全体を通して初期プラズマ圧力を系統的に変化させる。
• 境界で線状に固定し、磁束およびヘリシティの保存を強制する。実際の粘性力によって駆動され、すべての速度が減衰するまで系を進化させる。
• 電流密度を磁場に対する平行成分と垂直成分に分解し、力自由性の有無を評価する。
• 軸対称の場合に、Grad-Shafranov方程式を用いて平衡場構造と力のバランスを解析的に記述する。
• 電流蓄積および特異性形成の比較のため、軸対称および非軸対称な初期場配置の両方について数値的シミュレーションを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期スパイン方向電流を有する3次元スパイラルノードポイントにおいて、抵抗なしで粘性MHDシミュレーションが安定な非力自由磁気流体静的平衡状態に到達可能か？
• RQ2 初期プラズマ圧力が、軸対称な3次元スパイラルノードポイントの最終電流密度分布および平衡構造にどのように影響するか？
• RQ3 非軸対称な3次元スパイラルノードポイントでは、どのような新たな電流蓄積の特徴が現れ、それが特異性を引き起こすか？
• RQ4 抵抗的再結合が存在しない状況下でも、3次元ノードポイントに新たなタイプの電流特異性が形成可能か？
• RQ5 非対称な場合に観測された電流集中および場のトポロジーは、3次元ノードポイントにおける新たな磁気再結合のメカニズムと関連しているか？

主な発見

• 軸対称の場合、電流密度はスパインに沿って2つの円錐状領域に集中し、最大強度がノードで発生する時計型の構造を形成する。ファン平面では、境界効果に起因するわずかなずれを除き、半径方向の磁場配置を示す。
• 平行電流成分は垂直成分のおよそ10倍大きく、磁場はほぼ力自由であるが、正確にはそうではない。主にスパインに沿った電流が支配的である。
• 最終的な平衡状態には3つの領域が存在する：半径 r < 0.1 のポテンシャル領域、非力自由な軸対称領域（0.1 < r < 0.5）、および線状固定境界に近い領域での歪み領域。
• 初期プラズマ圧力の系統的変化は、電流蓄積の振幅に顕著な影響を及ぼさないため、軸対称なスパイラルノードポイントではプラズマ圧力が最終平衡の形状に小さい役割を果たすと考えられる。
• 非軸対称な場合、ノードのファン平面に垂直な方向に、無限時間にわたる電流特異性が発生し、小さな軸に沿って局在化する。この特異性は、プラズマ圧力が内向きのローレンツ力と釣り合わないため生じる。
• 軸対称性の破れから生じる本新規に観測された特異性は、従来知られていたファン-スパイン崩壊特異性とは異なり、スパイラルノードポイントにおける3次元磁気再結合の新たなメカニズムを示唆する可能性がある。