[論文レビュー] Magnetic Twist and Writhe of Active Regions: On the Origin of Deformed Flux Tubes

M. C. López Fuentes, P. Démoulin+3 more|Digital Access to Libraries|Nov 20, 2014

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 44被引用数 59

ひとこと要約

本研究は、22個の二極性活動領域（RTARs）における磁気力線管のねじれおよび変形の起源を調査した。長期的な磁気極の回転を示すRTARsにおいて、観測された傾き角の変化と磁場測定値を用い、ねじれ不安定性またはコリオリ力が変形を説明できるかを検証した。その結果、ねじれ不安定性と一致するケースは35%、コリオリ力と一致するケースは41%にとどまり、対流層下部における大規模な渦状流れが支配的メカニズムである可能性が示された。

ABSTRACT

We study the long term evolution of a set of 22 bipolar active regions (ARs) in which the main photospheric polarities are seen to rotate one around the other during several solar rotations. We first show that differential rotation is not at the origin of this large change in the tilt angle. A possible origin of this distortion is the nonlinear development of a kink-instability at the base of the convective zone; this would imply the formation of a non-planar flux tube which, while emerging across the photosphere, would show a rotation of its photospheric polarities as observed. A characteristic of the flux tubes deformed by this mechanism is that their magnetic twist and writhe should have the same sign. From the observed evolution of the tilt of the bipoles, we derive the sign of the writhe of the flux tube forming each AR; while we compute the sign of the twist from transverse field measurements. Comparing the handedness of the magnetic twist and writhe, we find that the presence of kink-unstable flux tubes is coherent with no more than 35\% of the 20 cases for which the sign of the twist can be unambiguously determined. Since at most only a fraction of the tilt evolution can be explained by this process, we discuss the role that other mechanisms may play in the inferred deformation. We find that 36\% of the 22 cases may result from the action of the Coriolis force as the flux tube travels through the convection zone. Furthermore, because several bipoles overpass in their rotation the mean toroidal (East-West) direction or rotate away from it, we propose that a possible explanation for the deformation of all these flux tubes may lie in the interaction with large-scale vortical motions of the plasma in the convection zone, including also photospheric or shallow sub-photospheric large scale flows.

研究の動機と目的

• 磁気極が複数の太陽回転にわたり互いに相対的に回転する22の二極性活動領域（RTARs）における長期的回転進化の起源を特定すること。
• 対流層底部におけるねじれ不安定性が、観測された力線管の変形を説明できるかどうかを、磁気のねじれとねじれの符号の比較によって検証すること。
• コリオリ力が、出現する力線管の傾き角の進化に果たす役割、特にジョイの法則と赤道への移動と関連して評価すること。
• 対流層または光球面における大規模な渦状または乱流的運動が、力線管の変形を引き起こす代替的メカニズムとして果たす寄与を評価すること。
• ねじれ不安定性やコリオリ力といったメカニズムが、統計的に有意なRTARのサブセットにおいて観測された回転行動を説明できるかどうかを特定すること。

提案手法

• NOAA sunspot番号と太陽ディスク再出現を用いて、22の二極性活動領域（RTARs）の長期的進化を追跡し、複数の太陽回転にわたる傾き角の変化をモニタリングした。
• 光球面における主な磁気極の回転方向からねじれの符号を導出し、時計回り／反時計回りの回転がそれぞれ負の／正のねじれに対応すると仮定した。
• 光球面における横磁場測定値から磁気のねじれの符号を計算し、ベクトル磁気計データを用いてホリシティの内容を推定した。
• ねじれとねじれの符号を比較して、ねじれ不安定性仮説を検証した。この仮説では、ねじれ不安定な力線管では、ねじれとねじれの符号が一致すると予測される。
• コリオリ力メカニズムを評価するため、観測された回転傾向が、対流層内における惑星の自転に起因する予想される偏位と一致するかを分析した。
• ねじれ不安定性やコリオリ力では説明できないケースにおいて、対流層または光球面における大規模な渦状または乱流的流れが、変形を引き起こす可能性があると提唱した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二極性活動領域における傾き角の観測された回転変化は、磁気力線管のねじれ不安定性に起因するか？
• RQ2 コリオリ力は、出現する力線管における磁気極の観測された回転を説明するのに十分か？
• RQ3 22のRTARのうち、ねじれ不安定性またはコリオリ力で説明できる割合はどの程度か。残りの部分を説明するメカニズムは何か？
• RQ4 観測された活動領域における磁気のねじれとねじれの符号は、ねじれ不安定な力線管の理論的予測と一致するか？
• RQ5 対流層または光球面における大規模な渦状または乱流的流れが、RTARにおける力線管の変形を支配的メカニズムとして果たす可能性はあるか？

主な発見

• 差動回転は、観測された傾き角の変化を説明できないため、大規模なせん断が磁気極の回転を主因とするとは考えられない。
• 明確なねじれ符号の決定がなされた20のRTARのうち、わずか35％のケースでねじれとねじれの符号が一致しており、これはねじれ不安定性が大多数のケースで支配的メカニズムではないことを示している。
• 約41％（22件中9件）のRTARで、観測された回転行動がコリオリ力と一致しており、これはコリオリ力が有意な役割を果たすが、支配的ではない可能性を示唆している。
• 同程度の割合（22件中9件）のRTARは、ねじれ不安定性またはコリオリ力の両方では説明できないため、代替的メカニズムの導入が不可避である。
• 著者らは、説明不能なケースにおける力線管の変形を、対流層、光球面、または浅い準光球面における大規模な渦状または乱流的流れが引き起こしている可能性を提唱した。
• 本研究は、ねじれ不安定性、コリオリ力、渦状運動といった単一のメカニズムでは観測された挙動を完全に説明できないと結論づけ、複数のメカニズムが共同で作用している可能性があり、特に渦状運動がすべてのRTARに影響を与えている可能性があると結論づけた。