[論文レビュー] New analytical and numerical models of solar coronal loop: I. Application to forced vertical kink oscillations

K. Murawski, А. А. Соловьев+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2014

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 26被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、重力的に分層した大気中における太陽コロナループの新しい解析的・数値的モデルを提示し、FLASHコードを用いて強制的な垂直キック振動をシミュレートした。モデルは観測された減衰なしキック振動を再現し、速度振幅が約1.2 km s⁻¹、ループ頂点の変位が約100 kmに達するものであり、最近の観測と一致し、太陽コロナにおけるMHD波動ダイナミクスを研究する上で物理的現実性を有することを検証した。

ABSTRACT

Aims. We construct a new analytical model of a solar coronal loop that is embedded in a gravitationally stratified and magnetically confined atmosphere. On the basis of this analytical model, we devise a numerical model of solar coronal loops. We adopt it to perform the numerical simulations of its vertical kink oscillations excited by an external driver. Methods. Our model of the solar atmosphere is constructed by adopting a realistic temperature distribution and specifying the curved magnetic field lines that constitute a coronal loop. This loop is described by 2D, ideal magnetohydro- dynamic equations that are numerically solved by the FLASH code. Results. The vertical kink oscillations are excited by a periodic driver in the vertical component of velocity, acting at the top of the photosphere. For this forced driver with its amplitude 3 km/s, the excited oscillations exhibit about 1.2 km/s amplitude in their velocity and the loop apex oscillates with its amplitude in displacement of about 100 km. Conclusions. The newly devised analytical model of the coronal loops is utilized for the numerical simulations of the vertical kink oscillations, which match well with the recent observations of decay-less kink oscillations excited in solar loops. The model will have further implications on the study of waves and plasma dynamics in coronal loops, revealing physics of energy and mass transport mechanisms in the localized solar atmosphere.

研究の動機と目的

• 重力的に分層した磁気的につながれた大気中に埋め込まれた太陽コロナループの新しい解析的モデルの構築。
• この解析的フレームワークに基づく数値モデルの構築し、コロナループ内のMHD波動ダイナミクスをシミュレートすること。
• 光球境界での周期的速度駆動により駆動される強制的垂直キック振動の調査。
• シミュレーション結果を、太陽コロナループにおける最近の減衰なしキック振動の観測と比較すること。
• モデルが現実的なコロナ条件における横方向MHD波の観測された振幅と周期を再現できるかどうかの検証。

提案手法

• 解析的モデルは、曲がった磁場線を有する2次元の重力的に分層した太陽大気を用い、平衡状態における質量密度およびガス圧を導出する。
• モデルは2次元における理想MHD方程式（連続の式、運動量保存、誘導則、エネルギー保存式）を用い、多変化状態方程式を含む。
• 数値シミュレーションは、現実的な静水的太陽大気とわずかに修正されたポテンシャル磁場配置を用いたFLASHコードで実施された。
• ループの頂点における光球上部で、周期300 s、振幅3 km s⁻¹の周期的駆動を垂直速度成分に適用し、垂直キック振動を励起した。
• 時間変動データとしての密度および速度の時系列データに対して、ウェーブレット解析およびパワースペクトル解析を実施し、振動周期と振幅を特定した。
• Nisticóら（2013年）およびAnfinogentovら（2013年）の観測データと比較することで、モデルの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力的に分層した大気中における新しいコロナループの解析的モデルは、観測された減衰なしキック振動を再現できるか？
• RQ2 光球面で周期的速度源によって駆動された場合、垂直キック振動の振幅と周期はどのようになるか？
• RQ3 シミュレーションで得られた振動振幅は、太陽コロナループにおける最近の速度および変位測定とどの程度一致するか？
• RQ4 ループ長さは、数値シミュレーションにおける駆動キック振動の振幅にどのような影響を及えるか？
• RQ5 シミュレーションにおける速度と密度変動の位相差は、基本モードキックモードの理論的期待値と一致するか？

主な発見

• 数値シミュレーションにより、駆動周期と一致する300 sの波周期を持つ垂直キック振動が得られ、共鳴励起が確認された。
• 振動の速度振幅はループ頂点で約1.2 km s⁻¹に達し、観測測定値と整合的であった。
• ループ頂点の変位振幅は約100 kmであり、最近の減衰なしキック振動の観測と良好に一致した。
• ウェーブレット解析およびパワースペクトル解析により、速度および密度時系列に5分周期の主要な波動が顕在され、3σ以上の大規模なパワーが確認された。
• 速度と密度変動の間にπ/4の位相差が観測され、これは基本モードキックモード振動の特徴的性質であった。
• モデルは減衰なしキック振動の主要な観測的特徴を成功裏に再現し、今後のコロナループ内における波動エネルギーおよび物質輸送の研究に応用可能であることが検証された。