[論文レビュー] Dynamics of solar coronal loops II. Catastrophic cooling and high-speed downflows

Daniel Mueller, H. Peter+1 more|ArXiv.org|May 27, 2004

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 85

ひとこと要約

本稿では、太陽コロナループ内の極端な冷却と高速下降流が、時間変動するエネルギー入力ではなく、端点支配の時間不変加熱による熱的平衡の喪失に起因することを提案する。自己一貫的な放射損失とイオン化キネティクスを組み込んだ1次元時間依存流体モデルを用い、非線形エネルギー収支から自然に凝縮と下降流が生じることを示し、観測されたブロブ速度（約100 km/s）と大型ループにおける周期性を再現した。

ABSTRACT

This work addresses the problem of plasma condensation and ``catastrophic cooling'' in solar coronal loops. We have carried out numerical calculations of coronal loops and find several classes of time-dependent solutions (static, periodic, irregular), depending on the spatial distribution of a temporally constant energy deposition in the loop. Dynamic loops exhibit recurrent plasma condensations, accompanied by high-speed downflows and transient brightenings of transition region lines, in good agreement with features observed with TRACE. Furthermore, these results also offer an explanation for the recent EIT observations of De Groof et al. (2004) of moving bright blobs in large coronal loops. In contrast to earlier models, we suggest that the process of catastrophic cooling is not initiated by a drastic decrease of the total loop heating but rather results from a loss of equilibrium at the loop apex as a natural consequence of heating concentrated at the footpoints of the loop, but constant in time.

研究の動機と目的

• 静止状態のコロナループで観測される繰り返し発生するプラズマ凝縮と高速下降流の起源を説明すること。
• 時間不変加熱が外部の時間変動駆動力なしに極端な冷却を引き起こす可能性があるかどうかを調査すること。
• 数値シミュレーションとTRACEおよびEITによる移動する明るいブロブおよび遷移領域発光の観測を一致させること。
• 加熱スケール高さと総加熱率の役割がループの空洞化を引き起こすメカニズムに与える影響を評価すること。
• ループ内の動的挙動が、内部的な流体力学的および放射的不安定性のみから生じうることを示すこと。

提案手法

• 低βプラズマの質量、運動量、エネルギー保存方程式を解く1次元時間依存流体コードを用いる。
• H, He, C, O およびその他の元素の自己一貫的イオン化速度式を組み込み、完全に時間依存の放射損失を考慮する。
• 端点で一定の機械的エネルギーフラックスを適用し、高さに従って指数関数的に減衰する形で、加熱スケール高さ $ H_m $ でパラメータ化する。
• 異なる $ H_m $ 値間で総エネルギー入力を一定に保つことで、空間的加熱分布の影響を明確に分離する。
• 観測との直接比較を可能にするために、光学的に薄いスペクトル線の時間依存発光を合成する。
• パラメータ空間および安定性閾値を探索するために、$ H_m $ および機械的エネルギーフラックスを変化させた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 コロナループにおける極端な冷却と高速下降流は、時間不変で端点支配の加熱プロファイルによって引き起こされる可能性があるか？
• RQ2 加熱スケール高さ $ H_m $ が熱的不安定性の発生およびループの空洞化を決定づける役割を果たすか？
• RQ3 シミュレーションによる下降流速度と凝縮周期は、TRACEおよびEITの観測値とどのように一致するか？
• RQ4 総加熱率を増加させると極端な冷却の閾値は変化するか？また、ループ温度の時間的変化にどのような影響を与えるか？
• RQ5 時間変動する加熱メカニズムを仮定せずに、大型ループにおける観測された周期性およびブロブダイナミクスを再現できるか？

主な発見

• 極端な冷却は、総加熱出力の低下とは関係なく、ループ頂点での熱的平衡の喪失に起因する。加熱は端点に集中している。
• 加熱スケール高さ $ H_m $ が不安定性を引き起こすための重要なパラメータである。$ H_m $ が小さい（例：2–3 Mm）と、繰り返し凝縮と下降流が生じる。
• シミュレーションは、300 Mmのループで観測された最大100 km/sの下降流速度と数日間の周期を再現し、De Groofら（2004）の観測と一致した。
• 凝縮中に密度や圧力が顕著に変化しても、プラズマ-βは0.03未満のまま維持され、磁場支配で変動のない磁力線の仮定が妥当であることを支持する。
• モデルは安定性を保ち、ループ上部での冷却に関連する観測されたスペクトル線の明るみ（例：Lyα, C IV）を再現した。
• 機械的エネルギーフラックスを $ F_{m0} = c \cdot 10^4 $ W/m² に増加させると、初期のループ温度は上昇するが、同じ動的挙動を維持し、凝縮の閾値はわずかに低下した。