[論文レビュー] Numerical simulations of shear-induced consecutive coronal mass ejections

Talpeanu, D. -C., Chané, E.+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2020

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、2.5次元MHDシミュレーションを用いて、光球面でのせん断運動の微小な変化が、それぞれ異なるコロナル・マス・エジェクション（CME）結果を引き起こす仕組みを調査した。特に、1%のせん断速度の変化—第一の噴出には影響しないが—が、ステルスCME、失敗CME、または二重CMEを生じさせることを示した。これは、微小な境界摂動に対して極めて感受性が高いコロナの性質を明らかにしている。

ABSTRACT

Methods: Stealth CMEs represent a particular class of solar eruptions that are clearly distinguished in coronagraph observations, but they don't have a clear source signature. A particular type of stealth CMEs occurs in the trailing current sheet of a previous ejection, therefore, we used the 2.5D MHD package of the code MPI-AMRVAC to numerically simulate consecutive CMEs by imposing shearing motions onto the inner boundary. The initial magnetic configuration consists of a triple arcade structure embedded into a bimodal solar wind, and the sheared polarity inversion line is found in the southern loop system. The mesh was continuously adapted through a refinement method that applies to current carrying structures. We then compared the obtained eruptions with the observed directions of propagation of an initial multiple coronal mass ejection (MCME) event that occurred in September 2009. We further analysed the simulated ejections by tracking the centre of their flux ropes in latitude and their total speed. Radial Poynting flux computation was employed as well to follow the evolution of electromagnetic energy introduced into the system. Results: Changes within 1\% in the shearing speed result in three different scenarios for the second CME, although the preceding eruption seems insusceptible to such small variations. Depending on the applied shearing speed, we thus obtain a failed eruption, a stealth, or a CME driven by the imposed shear, as the second ejection. The dynamics of all eruptions are compared with the observed directions of propagation of an MCME event and a good correlation is achieved. The Poynting flux analysis reveals the temporal variation of the important steps of eruptions. For the first time, a stealth CME is simulated in the aftermath of a first eruption, through changes in the applied shearing speed.

研究の動機と目的

• 連続するコロナル・マス・エジェクション（CME）の発生にあたって、せん断運動が果たす役割を調査すること。特にステルスCMEに注目する。
• 低コロナ領域の源の特徴が観測されない状況で、地球を向いたCMEを予測する課題に対処すること。
• 低コロナ境界でのせん断速度の微小な変化が、どのように異なる噴出結果を生じさせるかをモデル化すること。
• STEREO観測データから得た前方モデル（GCS）を用いて、2009年9月の複数CMEイベントの観測された進路を再現すること。
• 電磁エネルギー入力の解析を通じて、エネルギー動態と噴出過程の進化を結びつけるため、径方向のポインティング・フラックスを用いること。

提案手法

• 内境界（低コロナ）にせん断運動を適用した2.5次元MHDパッケージをMPI-AMRVACコード内で使用し、コロナ動態をシミュレーションした。
• 二様な太陽風中に埋め込まれた三重アーケード磁場配置を用い、南側ループ系に歪んだ極性反転線を設けた。
• 電流を運ぶ構造に焦点を当てたアダプティブメッシュリファインメントを採用し、均一なグローバルリファインメントを避けて、CME領域での高解像度を維持した。
• Graduated Cylindrical Shell（GCS）法を用いた前方モデルを実施し、STEREO観測データからCMEの進路を再構築した。
• シミュレーションと観測の両方の噴出ダイナミクスを比較するため、赤緯方向および全速度におけるフラックスロープ中心の追跡を実施した。
• 内境界における径方向ポインティング・フラックスを計算し、電磁エネルギー入力を定量化するとともに、噴出フェーズと相関づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低コロナ境界でのせん断速度の微小な変化が、ステルス噴出を含む、異なるCME結果を生じさせる可能性があるか？
• RQ2 同じせん断入力がステルスCME、失敗CME、または二重CMEを引き起こす場合、コロナの反応はどのように異なるか？
• RQ3 GCSモデリングを用いて、2009年のMCMEイベントの観測されたCME進路と、シミュレートされたCME進路がどの程度一致するか？
• RQ4 電磁エネルギー入力（径方向ポインティング・フラックスを介して）は、噴出シナリオの区別にどのような役割を果たすか？
• RQ5 以前のCMEの追従的電流シート内で発生するステルスCMEの発生は、せん断運動によるものか、それともコロナ磁気再結合によるものか？

主な発見

• 37 km s⁻¹から1%の変化（1%変化）を加えた場合、初期条件と第一CMEのダイナミクスが同一であるにもかかわらず、第二CMEの結果としてステルス、失敗、または二重噴出という3つの異なる結果が得られた。
• ステルスCMEは、最初のCMEの追従的電流シートから発生し、事前に存在する閉じた磁場構造によるものではなく、せん断誘発の磁気再結合によって引き起こされた。
• シミュレーションと観測のCME進路の間で良好な相関が得られ、二重噴出ケースにおいてCME1およびCME2の両方で勾配の一致が確認された。
• フラックスロープ中心の追跡により、すべてのケースで一貫した偏光パターンが得られ、シミュレーションされた赤緯方向および速度の進化が観測と一致した。
• 径方向ポインティング・フラックスのプロファイルは、ステルスCMEと失敗CMEの間で15時間前後まではほとんど同一であり、エネルギー入力だけでは噴出結果を区別できないことが示された。
• 本研究では、同じエネルギー入力がもたらすにもかかわらず、噴出行動が質的に異なる結果を生じるという、コロナの極めて感受性の高さが明らかになった。