[論文レビュー] Flute and kink instabilities in a dynamically twisted flux tube with anisotropic plasma viscosity

James Quinn, Radostin D. Simitev|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2021

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 34被引用数 1

ひとこと要約

本研究は、境界で動的にねじり操作される磁気流体力学的フラックスチューブにおけるフラップ不安定性およびキンク不安定性の非線形力学を調査し、異方的プラズマ粘性がフラップ不安定性を顕著に強化することを明らかにした。フラップ不安定性はキンク不安定性の成長を遅らせるが、それを防ぐわけではない。特に強い磁場に起因する粘性の異方性下では、エネルギーの混合と電流シート形成によるエネルギー解放を通じて、コロナ加熱に寄与する可能性がある。

ABSTRACT

Magnetic flux tubes such as those in the solar corona are subject to a number of instabilities. Important among them is the kink instability which plays a central part in the nanoflare theory of coronal heating, and for this reason in numerical simulations it is usually induced by tightly-controlled perturbations and studied in isolation. In contrast, we find that when disturbances are introduced in our magnetohydrodynamic flux tube simulations by dynamic twisting of the flow at the boundaries fluting modes of instability are readily excited. We also find that the flute instability, which has been theorised but rarely observed in the coronal context, is strongly enhanced when plasma viscosity is assumed anisotropic. We proceed to investigate the co-existence and competition between flute and kink instabilities for a range of values of the resistivity and of the parameters of the anisotropic and isotropic models of viscosity. We conclude that while the flute instability cannot prevent the kink from ultimately dominating, it can significantly delay its development especially at strong viscous anisotropy induced by intense magnetic fields.

研究の動機と目的

• 動的につねられた磁場フラックスチューブにおけるフラップ不安定性とキンク不安定性の共存および競合を調査すること。
• 異方的プラズマ粘性がこれらの不安定性の成長速度および非線形的発展に与える影響を検討すること。
• フラップ不安定性がコロナ的文脈においてキンク不安定性の進化に顕著に影響を与えるかどうかを特定すること。
• 抵抗率および粘性モデルが動的ねじりの過程で不安定性ダイナミクスに与える影響を調査すること。
• フラップ不安定性がコロナ加熱機構、特にナノフレア生成に与える関連可能性を評価すること。

提案手法

• 動的境界条件を用いてねじり運動を加えることでねじりフラックスチューブを生成する磁気流体力学(MHD)方程式を用いた数値シミュレーション。
• 等方的および異方的粘性モデルの実装。後者は磁場依存性を考慮した体系的モデルに基づく。
• 抵抗率値 η = 10⁻³ および η = 10⁻⁴ を用いて、抵抗性散逸が不安定性発展に与える影響を検討。
• 初期条件は直線的な磁場フラックスチューブから始め、不安定性は動的ねじりの過程で数値的ノイズから自然に発生する。
• 圧力、磁場、速度の摂動を分析し、フラップモードおよびキンクモードの発生および成長を特定。
• 異なる粘性および抵抗率領域における不安定性の成長速度および非線形的進化を比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部摂動なしに、磁場フラックスチューブの動的ねじりの過程でフラップ不安定性が自発的に励起されるか？
• RQ2 異方的プラズマ粘性は、ねじりフラックスチューブにおけるフラップ不安定性の成長速度および非線形的発展にどのように影響するか？
• RQ3 コロナに類似した環境下で、フラップ不安定性はキンク不安定性の発展をどれほど遅らせたり抑制したりするか？
• RQ4 コロナ加熱の文脈において、フラップ不安定性がエネルギー解放およびプラズマ混合に果たす相対的寄与は何か？
• RQ5 抵抗率を変化させた場合、異方的粘性が存在する中でフラップ不安定性とキンク不安定性の競合にどのように影響するか？

主な発見

• オーム加熱によって生じる半径方向の圧力勾配のおかげで、外部摂動がなくてもフラックスチューブの動的ねじりの過程でフラップ不安定性が自発的に励起される。
• 異方的プラズマ粘性は、特に強い磁場下でフラップ不安定性の成長速度を顕著に増大させる。
• フラップ不安定性はキンク不安定性の発生および成長を遅らせるが、最終的にはキンクがダイナミクスを支配することを防がない。
• フラップ不安定性が非線形的に成長すると、プラズマの混合が誘発され、小スケールの電流シートが生成され、磁気エネルギーが解放される。その結果、キンクのエネルギー解放速度が遅くなる。
• 低抵抗率（η = 10⁻⁴）の状態ではキンク不安定性が速やかに支配的となり、フラップ不安定性の影響は最小限にとどまるため、顕著なフラップ効果が観察されるための閾値効果が示唆される。
• キンク不安定性の過程で全 kinetic エネルギーはフラップの存在にかかわらず変わらないが、フラップによる遅延のためエネルギー解放の timescale が延長される。