[論文レビュー] Shear Flows Driven by the Lorentz Force: An Energy Source for Coronal Mass Ejections and Flares

W. B. Manchester|ArXiv.org|Dec 18, 2008

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、コロナルマスエジェクション（CME）やフレアの主要因である太陽の活動領域におけるせん断流れが、重力的密度勾配を持つ大気中で上昇・拡張する磁気フラックスに起因するローレンツ力によって物理的に駆動されることを提案する。シミュレーションにより、これらの自己組織的せん断流れが太陽内部からコロナへ軸対称磁気フラックスおよびエネルギーを輸送し、平衡の喪失を引き起こし、高速なCME様の噴出を誘発することを示しており、爆発的太陽活動を統一的物理メカニズムで説明するものである。

ABSTRACT

Shear flows have been prescribed in numerical models of coronal mass ejections and flares for decades as a way of energizing magnetic fields to erupt. While such shear flows have long been observed in the solar atmosphere, until recently, there was no compelling physical explanation for them. This paper will discuss the discovery that such shear flows are readily explained as a response to the Lorentz force that naturally occurs as bipolar magnetic fields emerge and expand in a gravitationally stratified atmosphere. It will be shown that shearing motions transport axial flux, and magnetic energy from the submerged portion of the field to the expanding portion, strongly coupling the solar interior to the corona. This physical process explains active region shear flows and why the magnetic field is found to be nearly parallel to photospheric polarity inversion lines where prominences form. Finally, shear flows driven by the Lorentz force are shown to produce a loss of equilibrium and eruption in magnetic arcades and flux ropes offering a convincing explanation for CMEs and flares.

研究の動機と目的

• 太陽の活動領域で観測される大規模せん断流れの物理的起源という長年の謎を解明すること。
• 太陽内部における磁気フラックス上昇とコロナエネルギー蓄積・噴出を結びつける自己整合的メカニズムを確立すること。
• 人工的駆動なしに、ローレンツ力によって駆動されるせん断流れが平衡の喪失を引き起こし、CMEおよびフレアを駆動できることを実証すること。
• 磁気シア、フレア形成、および爆発的活動の観測的証拠を、一つの物理的枠組みで統合すること。

提案手法

• 重力および密度勾配を持つプラズマを考慮した3次元MHDモデルを用いて、軸対称磁気フラックスのコロナへの上昇をシミュレートする。
• 極性反転線におけるせん断運動を可視化するため、水平せん断速度（Ux）および磁気力線の進化を追跡する。
• 特に磁気張力の不均衡に起因する、非一様に拡張する上昇フラックスに由来するローレンツ力をモデル化する。
• 3次元のコロナアークレッドおよびフラックスロープを用いたシミュレーションにより、ローレンツ力によって駆動されるせん断流れに起因する噴出ダイナミクスを研究する。
• Hα線繊維、EUVループ、X線シグモイド、TRACE二帯フレアの観測結果とシミュレーション結果を比較する。
• 系のサイズに応じた噴出速度およびサイズのスケーリングを分析し、CMEスケールの噴出の可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMEおよびフレアの前触れとして観測される大規模せん断流れを生成する物理的メカニズムは何か？
• RQ2 上昇磁気フラックスに起因するローレンツ力が、極性反転線付近でねじれた磁気場の形成にどのように寄与するか？
• RQ3 ローレンツ力によって駆動されるせん断流れのみで、平衡の喪失を引き起こし、高速CME様の噴出を駆動できるか？
• RQ4 なぜ磁気シアが常にCMEおよびフレア生産性と相関しているのか？
• RQ5 このメカニズムを通じて、磁気エネルギーおよびフラックスは太陽内部からどのようにコロナへ輸送されるか？

主な発見

• せん断流れは、フラックス上昇の過程でローレンツ力によって自己組織化され、活動領域における自発的発生を説明する。
• 水平方向の磁気張力駆動流れが生じ、大振幅のせん断アルフレーヴ波を形成する。
• 極性反転線付近の磁気力線は、ほぼ反転線に平行に進化し、フィラメントおよび繊維の観測と一致する。
• せん断流れは、磁気力線の水中部から拡張するコロナへ、軸対称磁気フラックスおよびエネルギーを輸送し、対流層とコロナを結合する。
• シミュレーションにより、ローレンツ力によって駆動されるせん断流れが平衡の喪失を誘発し、激しい噴出を引き起こすことが示され、ピーク速度は150 km/sに達し、衝撃波の形成も確認された。
• 噴出速度は系のサイズに比例して良好にスケーリングするため、より大規模なシミュレーションで観測されたCMEと同等の規模の噴出が得られる可能性がある。