[論文レビュー] Dynamics of braided coronal loops II: Cascade to multiple small-scale reconnection events

D. I. Pontin, A. L. Wilmot‐Smith+2 more|Discovery Research Portal (University of Dundee)|Mar 30, 2010

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 47被引用数 53

ひとこと要約

本研究は、ネット電流やホリシティがゼロのねじれたコロナルループの抵抗性MHDシミュレーションを実施し、磁気不安定性が薄い電流層の連鎖を引き起こし、複数回の再結合が発生することを示した。系は非線形力自由状態に進化し、互いに逆向きにねじれた2本のフラックスチューブを有する状態となり、エネルギー散逸が抵抗率に依存しない断片的で高速な再結合によって発生することを明らかにした。これはペイザーのコロナ加熱モデルの主要な側面を解消するものである。

ABSTRACT

Aims: Our aim is to investigate the resistive relaxation of a magnetic loop that contains braided magnetic flux but no net current or helicity. The loop is subject to line-tied boundary conditions. We investigate the dynamical processes that occur during this relaxation, in particular the magnetic reconnection that occurs, and discuss the nature of the final equilibrium. Methods: The three-dimensional evolution of a braided magnetic field is followed in a series of resistive MHD simulations. Results: It is found that, following an instability within the loop, a myriad of thin current layers forms, via a cascade-like process. This cascade becomes more developed and continues for a longer period of time for higher magnetic Reynolds number. During the cascade, magnetic flux is reconnected multiple times, with the level of this `multiple reconnection' positively correlated with the magnetic Reynolds number. Eventually the system evolves into a state with no more small-scale current layers. This final state is found to approximate a non-linear force-free field consisting of two flux tubes of oppositely-signed twist embedded in a uniform background field.

研究の動機と目的

• 線形固定境界条件下で、ネット電流やホリシティがゼロのねじれた磁場ループの抵抗性緩和を調査すること。
• トポロジカルに複雑な磁場の緩和過程における、特に磁気再結合を含む動的過程を理解すること。
• 最終平衡状態がテイラー緩和（α = 0）に一致するか、それとも追加の制約により逸脱するかを特定すること。
• 磁気レイノルズ数が連鎖と再結合の複雑さに与える影響を定量化すること。
• 特異な電流シートが存在しない状況下でも、複数回の再結合が効率的なコロナ加熱を説明できるかを評価すること。

提案手法

• 三次元抵抗性MHDシミュレーションを用いて、線形固定境界条件下でのねじれた磁場の進化をモデル化した。
• 初期状態は、ねじれたフラックスを有する力自由場であり、ネット電流やホリシティがゼロであり、太陽コロナ状態に近似している。
• 電流層形成と再結合活動のスケーリングを調査するため、異なる磁気レイノルズ数を用いてシミュレーションを実施した。
• 再結合は局所的電流層の形成によって特定され、体積内の複数の拡散領域における再結合率の統合によって定量化された。
• 最終平衡状態は、力自由性について分析され、特に∇×B = αBが非ゼロαで成り立つかどうかを確認した。
• 全般的な再結合率、再結合されたフラックス、再結合サイト数を計算し、抵抗率とレイノルズ数ととの相関を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ネットホリシティがゼロのねじれたコロナルループの抵抗性緩和が、力自由最終状態に至るか。その構造はいかなるものか？
• RQ2 磁気レイノルズ数が電流層連鎖の発展と再結合サイト数に与える影響は何か？
• RQ3 全般的な再結合率は抵抗率に依存するのか、それとも高速再結合モデルと同様に弱い依存性を示すのか？
• RQ4 接続不連続性やノードポイントが存在しない状況下でも、複数回の再結合が顕著なエネルギー散逸を説明できるか？
• RQ5 テイラー緩和がα = 0を予測するにもかかわらず、最終状態が非ゼロα（非線形力自由場）を保持する理由は何か？

主な発見

• 薄い電流層の連鎖が断片化過程を経て形成され、磁気レイノルズ数が高いほどより発達し、より長期間にわたって持続する。
• ピーク電流に続く全般的な再結合率は、局所的電流の強度ではなく、再結合領域の断片化の進行に起因して増加する。
• ピーク全般的な再結合率は抵抗率に対して弱い依存性を示し、高速で頑健な散逸メカニズムであることを示している。
• 再結合された全磁束は初期のポリロイドフラックスを上回っており、複数のサイトでフラックスが繰り返し再結合されたことを証明している。
• 抵抗率が低下するにつれて、識別可能な再結合領域の数が増え、フラックス単位あたりの平均再結合回数も増加する。
• 最終状態は、均一な背景に埋め込まれた2本の逆向きにねじれたフラックスチューブを有する非線形力自由場に近いが、テイラー緩和仮説に反する。