[論文レビュー] Nonlinear force-free models for the solar corona I. Two active regions with very different structure

Stéphane Régnier, E. R. Priest|ArXiv.org|Mar 29, 2007

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 44被引用数 36

ひとこと要約

本研究では、太陽の活動領域 AR8151（衰えつつある、高電流密度）および AR8210（新たに出現した、低電流密度）の2つの活動領域について、光球面上のベクトル磁場計測データを用いて非線形力自由場（NLFFF）モデルを開発した。Grad-Rubin型数値スキームを採用した結果、NLFFFモデルは特に AR8151 において、コロナ内に強い磁気トウスト、シアー、およびエネルギー貯蔵を示すことが判明した。AR8151 では磁気ホルニティとエネルギーが約 50 Mm の高さでピークに達する一方、AR8210 はポテンシャル場からのわずかなずれを示すが、フレアを引き起こすのに十分な低コロナ領域のエネルギーを貯蔵している。

ABSTRACT

With the development of new instrumentation providing measurements of solar photospheric vector magnetic fields, we need to develop our understanding of the effects of current density on coronal magnetic field configurations. The object is to understand the diverse and complex nature of coronal magnetic fields in active regions using a nonlinear force-free model. From the observed photospheric magnetic field we derive the photospheric current density for two active regions: one is a decaying active region with strong currents (AR8151), and the other is a newly emerged active region with weak currents (AR8210). We compare the three-dimensional structure of the magnetic fields for both active region when they are assumed to be either potential or nonlinear force-free. The latter is computed using a Grad-Rubin vector-potential-like numerical scheme. A quantitative comparison is performed in terms of the geometry, the connectivity of field lines, the magnetic energy and the magnetic helicity content. For the old decaying active region the connectivity and geometry of the nonlinear force-free model include strong twist and strong shear and are very different from the potential model. The twisted flux bundles store magnetic energy and magnetic helicity high in the corona (about 50 Mm). The newly emerged active region has a complex topology and the departure from a potential field is small, but the excess magnetic energy is stored in the low corona and is enough to trigger powerful flares.

研究の動機と目的

• 非線形力自由場（NLFFF）モデルを用いて、電流密度がコロナ磁場構造に与える影響を理解すること。
• 磁気的進化が著しい対照的2つの活動領域（衰えつつある領域 AR8151 と新たに出現した領域 AR8210）の3次元磁場構造を比較すること。
• ポテンシャル場モデルとNLFFFモデルとの間で、磁気エネルギー、ホルニティ、磁力線の接続性および幾何的性質の違いを定量化すること。
• 非線形力自由場が太陽フレアおよびコロナ質量噴出に関連するエネルギーとホルニティをどのように貯蔵するかを評価すること。
• 観測された光球面上のベクトル磁場から現実的なコロナ磁場を再構築するためのGrad-Rubin数値スキームの適用可能性を検証すること。

提案手法

• SOHO/MDI が提供する AR8151 および AR8210 の光球面上のベクトル磁場測定データを用いる。
• 観測されたベクトル磁場から光球面上の電流密度を計算し、磁場の複雑さを評価する。
• 3次元における非線形力自由場方程式を解くために、Grad-Rubin型反復数値スキームを適用する。
• 観測された光球面上の境界条件を設定し、反復的に力自由制約（J × B ≈ 0）を満たすようにする。
• 磁力線の幾何的性質、接続性、磁気エネルギー、ホルニティの観点から、ポテンシャル場モデルとNLFFFモデルを定量的に比較する。
• 磁気エネルギーとホルニティを主な診断指標として、コロナ磁場の非ポテンシャル性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形力自由場モデルは、活動領域における磁場構造をポテンシャル場モデルとどのように異にするか？
• RQ2 電流密度は、衰えつつある領域と新たに出現した領域のコロナ磁場トポロジーをどのように形成するか？
• RQ3 NLFFF仮定のもとで、AR8151 および AR8210 のコロナ内に磁気エネルギーとホルニティはどこに、どのように貯蔵されているか？
• RQ4 NLFFFモデルは、太陽の爆発的噴出を引き起こす可能性のあるねじれたまたはずれた磁力線バンドルをどの程度明らかにするか？
• RQ5 これらの2つの活動領域において、ポテンシャル場からのずれは、フレア生産性とどの程度相関しているか？

主な発見

• AR8151（衰えつつある、高電流密度領域）のNLFFFモデルは、強い磁気トウストとシアーを示し、磁気エネルギーとホルニティが光球面から約 50 Mm の高さに集中している。
• これに対して、AR8210（新たに出現した、低電流密度領域）はポテンシャル場からのわずかなずれを示すが、フレアを引き起こすのに十分な余剰磁気エネルギーを低コロナ部に貯蔵している。
• AR8151 のNLFFFモデルにおける磁力線の接続性および幾何的性質は、ポテンシャルモデルと顕著に異なり、高次元の非ポテンシャルコロナ構造を示している。
• AR8151 のNLFFFモデルは、顕著な磁気ホルニティとエネルギーを貯蔵するねじれた磁力線バンドルを明らかにした。これは、コロナ質量噴出に有利な状態と一致する。
• 低電流密度であるにもかかわらず、AR8210 は複雑なトポロジーと低コロナ部の非ポテンシャルエネルギー貯蔵を有しており、高いフレア発生可能性を示唆している。
• Grad-Rubin数値スキームは、観測されたベクトル磁場計測データと物理的に整合する3次元コロナ磁場を効果的に再構築でき、ポテンシャルモデルでは捉えきれない非ポテンシャル特徴を明らかにした。