[論文レビュー] Magnetohydrodynamics dynamical relaxation of coronal magnetic fields. I. Parallel untwisted magnetic fields in 2D

Jorge Fuentes-Fernández, C. E. Parnell+1 more|St Andrews Research Repository (St Andrews Research Repository)|Oct 24, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 23被引用数 10

ひとこと要約

本研究は、有限βを有する2次元コロナプラズマにおける非抵抗性磁気流体力学（MHD）緩和を調査し、プラズマ圧力勾配が従来の力自由モデルと比較して平衡状態を顕著に変化させることを示している。粘性減衰を伴う磁気音響波を用いて、系は磁気力とプラズマ力が釣り合う非力自由MHD静的平衡状態に緩和される。線形領域をはるかに超えた状態でも、解析的予測と数値結果が一致している。

ABSTRACT

Context. For the last thirty years, most of the studies on the relaxation of stressed magnetic fields in the solar environment have onlyconsidered the Lorentz force, neglecting plasma contributions, and therefore, limiting every equilibrium to that of a force-free field. Aims. Here we begin a study of the non-resistive evolution of finite beta plasmas and their relaxation to magnetohydrostatic states, where magnetic forces are balanced by plasma-pressure gradients, by using a simple 2D scenario involving a hydromagnetic disturbance to a uniform magnetic field. The final equilibrium state is predicted as a function of the initial disturbances, with aims to demonstrate what happens to the plasma during the relaxation process and to see what effects it has on the final equilibrium state. Methods. A set of numerical experiments are run using a full MHD code, with the relaxation driven by magnetoacoustic waves damped by viscous effects. The numerical results are compared with analytical calculations made within the linear regime, in which the whole process must remain adiabatic. Particular attention is paid to the thermodynamic behaviour of the plasma during the relaxation. Results. The analytical predictions for the final non force-free equilibrium depend only on the initial perturbations and the total pressure of the system. It is found that these predictions hold surprisingly well even for amplitudes of the perturbation far outside the linear regime. Conclusions. Including the effects of a finite plasma beta in relaxation experiments leads to significant differences from the force-free case.

研究の動機と目的

• コロナ磁場のMHD緩和における有限プラズマβの役割を調査し、標準的な力自由近似を超えること。
• 磁気力がプラズマ圧力と磁気張力によって釣り合う状況において、プラズマ圧力勾配が緩和過程における最終平衡状態に与える影響を特定すること。
• 粘性減衰を伴うMHD系における非線形緩和過程に対して、線形解析的予測の妥当性を評価すること。
• 特に、プラズマから磁気エネルギーへのエネルギー移動に注目し、緩和過程におけるプラズマの熱力学的進化を検討すること。
• 最終平衡状態が、粘性や初期摂動の性質（密度、温度、内部エネルギー）に依存せず、初期摂動と総圧力にのみ依存することを確立すること。

提案手法

• 粘性散逸を含む完全な2次元MHDコードを用いた数値シミュレーションにより、摂動を加えた磁気場およびプラズマ状態の緩和を駆動する。
• 初期摂動は、磁気場が凍結された状態を維持するように、プラズマ圧力、密度、または内部エネルギーの局所的変化として導入される。
• 磁気音響波（速い波および遅い波）の粘性減衰が唯一の散逸機構として機能し、最終的なMHD平衡状態への緩和を可能にする。
• 断熱仮定と磁場線に沿っておよび直交して波が伝播することを前提に、線形解析的解を導出し、最終的な圧力、密度、磁場分布を予測する。
• 初期摂動の振幅やプラズマβ値を変化させた場合の、解析的予測（総圧力保存および断熱的進化に基づく）と数値結果の比較。
• 非線形領域における挙動をテストし、特にプラズマ密度における断熱予測からのずれを定量化するために、2次元ガウス型圧力摂動を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 力自由仮定と比較して、有限プラズマβを含めることで、緩和されたコロナ磁場の最終平衡状態はどのように変化するか？
• RQ2 MHD緩和の非線形領域において、線形断熱的進化に基づく解析的予測はどの程度有効であるか？
• RQ3 粘性減衰が最終平衡状態に果たす役割は何か？また、それは最終状態に影響を与えるのか、それとも緩和時間スケールにのみ影響を与えるのか？
• RQ4 有限βプラズマにおける緩和過程で、エネルギーはどのようにプラズマと磁気エネルギーの間で移動するか？
• RQ5 初期摂動と総圧力にのみ依存して、最終MHD静的平衡状態が一意に決定可能か？

主な発見

• 最終平衡状態は、プラズマ圧力勾配が磁気ローレンツ力と釣り合う非力自由MHD静的状態であり、残留磁気張力は存在しない。
• 断熱的進化および総圧力保存に基づく解析的予測は、線形領域をはるかに超えた大きな初期摂動に対しても、数値結果と驚くほどよく一致している。
• 最終的なプラズマ密度および圧力分布は、初期摂動と総圧力にのみ依存し、初期摂動の性質（密度、温度、内部エネルギーの変化）には依存しない。
• 粘性は最終平衡状態に影響を与えないが、緩和時間スケールにのみ影響を与える。ただし、波の減衰が十分に進行する限り有効である。
• 非理想効果は初期摂動に対してゆっくりと増大するため、線形予測は強い非線形領域でも依然として有効である。
• 緩和過程で、プラズマから磁気エネルギーへのエネルギー転送が顕著に観察され、特に磁気ノードポイント付近では、コロナ環境における顕著な熱力学的結合が示唆される。