[論文レビュー] Flow instabilities of magnetic flux tubes II. Longitudinal flow

V. Holzwarth, D. Schmitt+1 more|ArXiv.org|Apr 27, 2007

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 26被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、密度に従って stratified な媒質内での縦方向流れを有する薄い磁気的フラックスチューブにおける流れ誘発不安定性を、線形安定性解析を用いて調査している。摩擦駆動不安定性—後退波（負のエネルギー波）と関連するもの—が、アルヴェーン速度未満でも発生可能であり、これはケルビン＝ヘルムホルツ不安定性やパークァー型不安定性と比較して、不安定性の閾値を顕著に低下させる。星の対流圏内での磁気的フラックスの貯蔵に影響を及ぼす。

ABSTRACT

Flow-induced instabilities are relevant for the storage and dynamics of magnetic fields in stellar convection zones and possibly also in other astrophysical contexts. We continue the study started in the first paper of this series by considering the stability properties of longitudinal flows along magnetic flux tubes. A linear stability analysis was carried out to determine criteria for the onset of instability in the framework of the approximation of thin magnetic flux tubes. In the non-dissipative case, we find Kelvin-Helmholtz instability for flow velocities exceeding a critical speed that depends on the Alfv{é}n speed and on the ratio of the internal and external densities. Inclusion of a friction term proportional to the relative transverse velocity leads to a friction-driven instability connected with backward (or negative energy) waves. We discuss the physical nature of this instability. In the case of a stratified external medium, the Kelvin-Helmholtz instability and the friction-driven instability can set in for flow speeds significantly lower than the Alfv{é}n speed. Dissipative effects can excite flow-driven instability below the thresholds for the Kelvin-Helmholtz and the undulatory (Parker-type) instabilities. This may be important for magnetic flux storage in stellar convection zones and for the stability of astrophysical jets.

研究の動機と目的

• 重力的 stratificationを持つ媒質内における縦方向流れを有する磁気的フラックスチューブの安定性を調査すること。
• 線形安定性理論と数値シミュレーションの間に生じる矛盾を解消し、アルヴェーン速度未満の流れにおいて予期しない不安定性が観測される理由を明らかにすること。
• 特にストークス型摩擦を含む散乱効果が、古典的閾値未満で不安定性を引き起こす役割を調べること。
• フラックスチューブの力学的挙動の文脈において、ケルビン＝ヘルムホルツ型、摩擦駆動型、パークァー型不安定性の統一的取り扱いを試みること。
• 星の対流圏内での磁気的フラックスの貯蔵および天体ジェットへの影響を評価すること。

提案手法

• 磁場に沿った流れを有する薄いフラックスチューブ近似に基づく線形安定性解析を実施する。
• フラックスチューブの横方向振動を記述するため、フレネ基本系におけるラグランジュ的変位形式を用いる。
• 相対的横方向速度に比例するストークス型摩擦項を導入し、散乱抵抗をモデル化する。
• 非散乱および散乱条件下での横方向波の分散関係を導出する。
• 一様および stratified 外部媒質における不安定性発生の条件を分析する。
• ガリレオ不変性のチェックを実施し、フレーム依存性のない結果が得られることを確認し、不安定性基準の物理的整合性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 摩擦などの散乱効果が、ケルビン＝ヘルムホルツ不安定性の閾値未満の流れにおいても不安定性を誘発できるか？
• RQ2 重力的 stratification は、磁気的フラックスチューブにおける不安定性発生の臨界流れ速度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 摩擦駆動不安定性の物理的起源と性質（後退波（負のエネルギー波）を伴うもの）は何か？
• RQ4 stratified な媒質内において、ケルビン＝ヘルムホルツ型、摩擦駆動型、パークァー型不安定性の閾値はどのように比較できるか？
• RQ5 摩擦誘発不安定性は、フラックスチューブの数値シミュレーションで観測される予期しない不安定性をどの程度説明できるか？

主な発見

• 摩擦駆動不安定性は、アルヴェーン速度よりも著しく低い流れ速さでも発生可能であり、アルヴェーン速度未満の流れに対しても成立する。
• 特に stratified な媒質内では、ケルビン＝ヘルムホルツ不安定性よりも先に摩擦駆動不安定性が発生する。
• stratified 外部媒質内では、パークァー不安定性の閾値に近づくと、不安定性発生のための臨界流れ速度が任意に小さくなる。
• この不安定性は、散乱摩擦項の直接的結果である後退波（負のエネルギー波）に関連している。
• 線形解析にストークス型摩擦項を組み込むことで、数値シミュレーションで観測された過剰不安定性の発生をうまく再現できた。
• 結果から、星の対流圏内では散乱効果が不安定化メカニズムを支配する可能性があり、理想 MHD の不安定性のみが関係するという仮定が疑問視される。