[論文レビュー] Solar surface emerging flux regions: a comparative study of radiative MHD modeling and Hinode SOT observations

Mark C. M. Cheung, M. Schüßler+2 more|Oct 31, 2008

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、3次元放射遷移MHDシミュレーションと高解像度のHinode SOT観測を組み合わせて、太陽表面の出現磁気層領域（EFRs）を調査した。上昇する磁気フラックスチューブが対流層を通過し、磁気シートに拡張し、粒状対流と相互作用することで、くねくねした磁場線、フラックスキャンセレーション、サブソン音速の下降流、明るいポイントを生じることを示した。これらは観測されたEFRのダイナミクスとヘルモセイズミックの意味と整合的である。

ABSTRACT

We present results from numerical modeling of emerging flux regions on the solar surface. The modeling was carried out by means of 3D radiative MHD simulations of the rise of buoyant magnetic flux tubes through the convection zone and into the photosphere. Due to the strong stratification of the convection zone, the rise results in a lateral expansion of the tube into a magnetic sheet, which acts as a reservoir for small-scale flux emergence events at the scale of granulation. The interaction of the convective downflows and the rising magnetic flux undulates it to form serpentine field lines emerging into the photosphere. Observational characteristics including the pattern of emerging flux regions, the cancellation of surface flux and associated high speed downflows, the convective collapse of photospheric flux tubes, the appearance of anomalous darkenings, the formation of bright points and the possible existence of transient kilogauss horizontal fields are discussed in the context of new observations from the Hinode Solar Optical Telescope. Implications for the local helioseismology of emerging flux regions are also discussed.

研究の動機と目的

• 高解像度の数値シミュレーションを用いて、太陽表面における出現磁気層領域（EFRs）の形成と進化を理解すること。
• 粒状スケールの対流流れが磁気フラックスの出現およびそれによる表面磁気構造に与える影響を調査すること。
• シミュレーションで得られたEFRの特徴を高解像度のHinode SOT観測と比較し、モデル予測の妥当性を検証すること。
• 磁気フラックスシートの形成とフラックスコalescenceが、太陽の孔や活動領域の発達に果たす役割を明らかにすること。
• EFRダイナミクスが局所ヘルモセイズミクスに与える影響、特に磁気反転層と波動伝搬効果の観点から評価すること。

提案手法

• MURaMコードを用いて、近接表面対流層から光球面への上昇する浮力磁気フラックスチューブをモデル化する3次元放射遷移MHDシミュレーションを実施した。
• 最大10^20 Mxの初期縦磁束を持つフラックスチューブをシミュレーションし、中程度の一時的領域と同等の規模を再現した。これは、従来の10^19 Mxに制限されていた研究を拡張したものである。
• 放射エネルギー交換、状態方程式における部分的イオン化効果、時間に依存する磁気拡散を含む、現実的な物理を組み込んだ。
• フラックス出現の過程で、磁場線、プラズマの流れ、熱力学的性質の進化を追跡した。特に、表面でのフラックスキャンセレーションと下降流に注目した。
• シミュレーション出力とHinode SOT観測（スペクトロポラリメータからのストークスプロファイルを含む）を比較し、フラックス出現パターンと磁場構造に関するモデル予測の妥当性を検証した。
• 粒状上昇流の上に磁気反転層が形成され、その影響が局所ヘルモセイズミクスの文脈における磁気圧縮波の伝搬に及ぼす影響を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 浮力磁気フラックスチューブは、密度勾配のある対流層を上昇する過程で、どのように変化し、光球面に出現するのか？
• RQ2 粒状スケールの対流流れは、出現磁気層領域の形状とダイナミクスに、どのように寄与しているのか？
• RQ3 シミュレーションで得られた表面フラックスキャンセレーションと関連する下降流は、Hinode SOT観測とどのように一致するのか？
• RQ4 出現磁気層領域に明るいポイントと一時的なキロガウス水平磁場が形成されるメカニズムは何か？
• RQ5 磁気フラックスシートの形成と反転層が、出現磁気層領域の局所ヘルモセイズミクスに与える影響は何か？

主な発見

• 上昇する磁気フラックスチューブは、強い密度勾配のため上層対流層で横方向に拡張し、小スケールのフラックス出現のための貯留層として機能する磁気シートを形成する。
• 対流下降流と上昇フラックスの相互作用により、磁場線がくねくねとした構造に変形し、光球面に出現する。
• シミュレーションで得られたフラックスキャンセレーション領域では、磁気張力によって引きずられる逆U字型の磁場線が原因で、サブソン音速の下降流（v_z < -6 km s⁻¹）が発生しており、磁気拡散によるものではない。
• シミュレーションで表面フラックスコalescenceが観測され、磁束密度が最大10^19 Mxに達するが、これは穴の形成への傾向を示しているが、完全な穴の発達は現在のシミュレーション時間スケールでは達成されていない。
• 粒状上昇流の上に、急速な放射冷却により磁気反転層が形成され、下層部に比べてプラズマ密度と磁場強度が約10%増加する。
• この反転層は、数十kmの厚さを有し、磁気圧縮波の伝搬に対して明確な境界として機能する可能性があり、局所ヘルモセイズミクスに影響を及ぼす。