[論文レビュー] On the fine structure of the sunspot penumbrae. II. The nature of the Evershed flow

J. M. Borrero, A. Lagg+2 more|ArXiv.org|Mar 30, 2005

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 48被引用数 50

ひとこと要約

本研究では、修正された無結合フラックスチューブモデルを用いて、 sunspot penumbrae の赤外分光偏光データを分析し、傾斜したフラックスチューブ内の径方向圧力勾配によって駆動されるシフォン流れが Evershed 流を説明することを明らかにした。主な発見として、外向きに5 km s⁻¹に達する流れ速度の増加、径方向圧力低下、および大きな径方向距離における衝撃形成の証拠が得られ、シフォン流れ機構が、penumbral 外向き流れの駆動要因であることを強く支持する。

ABSTRACT

We investigate the fine structure of the sunspot penumbra by means of a model that allows for a flux tube in horizontal pressure balance with the magnetic background atmosphere in which it is embedded. We apply this model to spectropolarimetric observations of two neutral iron lines at 1.56 $μ$m and invert several radial cuts in the penumbra of the same sunspot at two different heliocentric angles. In the inner part of the penumbra we find hot flux tubes that are somewhat inclined to the horizontal. They become gradually more horizontal and cooler with increasing radial distance. This is accompanied by an increase in the velocity of the plasma and a decrease of the gas pressure difference between flux tube and the background component. At large radial distances the flow speed exceeds the critical speed and evidence is found for the formation of a shock front. These results are in good agreement with simulations of the penumbral fine structure and provide strong support for the siphon flow as the physical mechanism driving the Evershed flow.

研究の動機と目的

• 太陽spotsの penumbrae における外向きプラズマ流れを駆動する物理的メカニズムを解明し、Evershed 流の方向に関する長年の謎を解消すること。
• 従来のモデルの限界を克服するため、フラックスチューブと周囲の間で圧力平衡をとるモデルに、垂直および水平方向の不均一性を組み込むこと。
• 磁場勾配に起因する気体圧力差によって駆動されるシフォン流れ機構が、観測された流れ速度およびプロファイルを説明できるかどうかを検証すること。
• 分光偏光逆問題を用いて、フラックスチューブの径方向進化に関する物理量（傾き、温度、速度、圧力差）を特定すること。
• 理論モデルが予測するように、大きな径方向距離における衝撃形成が、Evershed 流の減速に果たす役割を評価すること。

提案手法

• フラックスチューブが磁気的に支配的な背景大気に埋め込まれており、全高さで水平方向の圧力平衡が保たれるように修正された無結合フラックスチューブモデルを適用した。
• 1.56 μm の2つの中性鉄線分光線からのストークスプロファイルを、垂直および水平方向の不均一性を考慮したマルチコンポonent逆問題手法を用いて反転処理した。
• モデルは、フラックスチューブと周囲の媒体という2つの異なる大気状態を含み、チューブ境界で物理量に急激なジャンプを導入することで、非対称なストークス V プロファイルを再現した。
• 円偏光プロファイルにおける面積非対称性（δA）を考慮することで、フラックスチューブの垂直拡がりと充填率を制約した。
• 2つの太陽中心角における penumbrae の径方向断面を分析し、流れ速度、温度、圧力差の進化を追跡した。
• モデルはフラックスチューブと周囲の間で全圧力平衡を強制することで、直接的に流れを駆動する径方向圧力勾配を同定できた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁場強度の径方向減少が予想される中、なぜ外向きの Evershed 流が生じるのか、その物理的メカニズムは何か？
• RQ2 フラックスチューブの温度、速度、傾き、圧力差が、penumbrae 内で径方向にどのように変化するか？
• RQ3 理論モデルが予測するように、大きな径方向距離における Evershed 流に衝撃形成の兆候が見られるか？
• RQ4 圧力平衡と垂直不均一性を有するフラックスチューブモデルで、観測されたストークス V プロファイルの非対称性を説明できるか？
• RQ5 フラックスチューブの幾何学的形状と充填率は、観測された分光偏光シグネチャにどのような役割を果たすか？

主な発見

• Evershed 流は外側 penumbrae で最大5 km s⁻¹に達し、圧力低下に伴い径方向距離とともに滑らかに速度が増加する。
• フラックスチューブと周囲の大気との間で気体圧力差が径方向に減少していることが検出され、シフォン流れが駆動メカニズムであるという強力な証拠が得られた。
• フラックスチューブは内側 penumbrae で当初傾斜しているが、径方向距離が増加するにつれてより水平に近く、冷却される。
• 大きな径方向距離では、流れ速度の急低下が温度上昇および等価幅の増加と一致しており、衝撃形成と運動エネルギーの散逸の兆候が示唆された。
• モデルは、特に外側 penumbrae で、ストークス V プロファイルの面積非対称性（δA）の径方向傾向をうまく再現できており、δA が十分に大きく、フラックスチューブの下端が log τ₅ ≈ [−0.5, 0] に制約されることが分かった。
• 結果は、penumbral フラックスチューブの動的シミュレーションとよく一致しており、温度、速度、圧力の予測された径方向進化を確認した。