[論文レビュー] Momentum Balance in Eruptive Solar Flares: The Vertical Lorentz force Acting on the Solar Atmosphere and the Solar Interior

G. H. Fisher|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2010

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、観測されたベクトル磁場計の変化を用いて、爆発的フレア発生時における太陽大気内の垂直ローレンツ力の変化を計算し、それが光球面および太陽内部に等大かつ逆向きの下向き力として作用することを示している。本研究は、水平成分を含めた一般化により、先行モデルを拡張し、脱出するプラズマ質量の上限を導出し、力の摂動をヘルモセイズミック応答およびフレア噴出物の運動量と結びつける。

ABSTRACT

We compute the change in the Lorentz force integrated over the outer solar atmosphere implied by observed changes in vector magnetograms that occur during large, eruptive solar flares. This force perturbation should be balanced by an equal and opposite force perturbation acting on the solar photosphere and solar interior. The resulting expression for the estimated force change in the solar interior generalizes the earlier expression presented by Hudson, Fisher and Welsch (CS-383, ASP, 221, 2008), providing horizontal as well as vertical force components, and provides a more accurate result for the vertical component of the perturbed force. We show that magnetic eruptions should result in the magnetic field at the photosphere becoming more horizontal, and hence should result in a downward (towards the solar interior) force change acting on the photosphere and solar interior, as recently argued from an analysis of magnetogram data by Wang and Liu (Astrophys. J. Lett. 716, L195, 2010). We suggest the existence of an observational relationship between the force change computed from changes in the vector magnetograms, the outward momentum carried by the ejecta from the flare, and the properties of the helioseismic disturbance driven by the downward force change. We use the impulse driven by the Lorentz-force change in the outer solar atmosphere to derive an upper limit to the mass of erupting plasma that can escape from the Sun. Finally, we compare the expected Lorentz-force change at the photosphere with simple estimates from flare-driven gasdynamic disturbances and from an estimate of the perturbed pressure from radiative backwarming of the photosphere in flaring conditions.

研究の動機と目的

• 観測されたベクトル磁場計の変化から、外側太陽大気におけるローレンツ力の変化を計算することで、爆発的フレアにおける運動量バランスを定量化すること。
• 運動量保存を満たすために、光球面および太陽内部に作用する対応する力の摂動を特定すること。
• 垂直力の推定値の精度を向上させるために、水平成分と垂直成分の両方を含めた、先行モデルの一般化を行うこと。
• 力の摂動とヘルモセイズミックな揺らぎ、およびフレア噴出物の運動量との間の観測的関連を確立すること。
• ローレンツ力の変化に起因するインパルスに基づき、太陽から脱出可能なプラズマ質量の上限を導出すること。

提案手法

• 時間分解能を持つベクトル磁場計を用いて、大型フレア発生時における外側太陽大気におけるローレンツ力を統合し、力の摂動を計算する。
• 運動量保存を適用して、光球面および太陽内部に作用する等大かつ逆向きの力の摂動を推定する。
• Hudson ら (2008) の先行式を一般化し、垂直成分に加えて水平成分を含めた、より精度の高い垂直力の推定を実現する。
• 大気中のローレンツ力の変化に起因するインパルスを用いて、脱出するプラズマの質量の上限を推定する。
• 計算された力の摂動を、ガス力学的擾乱および光球面圧力への放射的バックウォーミング効果の単純な推定値と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測されたベクトル磁場計の変化から導かれる、爆発的フレア発生時における太陽大気内での垂直ローレンツ力の変化は何か？
• RQ2 光球面および太陽内部に作用する対応する力の摂動は何か？ そして、それは大気中の力の変化とどのようにバランスをとるか？
• RQ3 水平成分と垂直成分は、フレアにおける総運動量バランスにどのように寄与するか？
• RQ4 計算された力の変化は、ヘルモセイズミックな揺らぎおよびフレア噴出物の運動量と結びつけられるか？
• RQ5 ローレンツ力のインパルスは、太陽から脱出可能なプラズマ質量にどのような上限をもたらすか？

主な発見

• フレア発生時には、光球面における磁場がより水平方向に傾き、光球面および太陽内部に下向きの力が作用する。
• 一般化された力モデルにより、先行の式よりも垂直力成分の推定値がより正確に得られた。
• 大気中のローレンツ力の変化は、太陽内部に下向きの力の摂動をもたらし、検出可能なヘルモセイズミック波を駆動する可能性がある。
• 大気中のローレンツ力の変化に起因するインパルスから、太陽から脱出可能なプラズマ質量の上限が得られた。
• 磁場計の変化に起因する力の摂動の推定値は、ガス力学的擾乱および放射的バックウォーミング効果の単純な推定値と同程度の大きさであることが判明した。