[論文レビュー] Sunspot rotation. I. A consequence of flux emergence

Zoe Sturrock, A. W. Hood+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2015

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 27被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、3次元抵抗性MHDシミュレーションを通じて、ねじれた磁気フラックスチューブの出現が太陽 spots の回転を引き起こすことを示した。磁気張力が不均衡なトルクを生成し、光球下の脚部に回転運動を引き起こす。シミュレーションでは、磁力線が最大で353°回転し、光球下のねじれが磁気ホリシティフラックスを介して大気に輸送されることを確認した。これにより、フラックス出現が観測された太陽 spots の回転およびコロナのエネルギー蓄積を直接説明できるようになった。

ABSTRACT

Context. Solar eruptions and high flare activity often accompany the rapid rotation of sunspots. The study of sunspot rotation and the mechanisms driving this motion are therefore key to our understanding of how the solar atmosphere attains the conditions necessary for large energy release. Aims. We aim to demonstrate and investigate the rotation of sunspots in a 3D numerical experiment of the emergence of a magnetic flux tube as it rises through the solar interior and emerges into the atmosphere. Furthermore, we seek to show that the sub-photospheric twist stored in the interior is injected into the solar atmosphere by means of a definitive rotation of the sunspots. Methods. A numerical experiment is performed to solve the 3D resistive magnetohydrodynamic (MHD) equations using a Lagrangian-Remap code. We track the emergence of a toroidal flux tube as it rises through the solar interior and emerges into the atmosphere investigating various quantities related to both the magnetic field and plasma. Results. Through detailed analysis of the numerical experiment, we find clear evidence that the photospheric footprints or sunspots of the flux tube undergo a rotation. Significant vertical vortical motions are found to develop within the two polarity sources after the field emerges. These rotational motions are found to leave the interior portion of the field untwisted and twist up the atmospheric portion of the field. This is shown by our analysis of the relative magnetic helicity as a significant portion of the interior helicity is transported to the atmosphere. In addition, there is a substantial transport of magnetic energy to the atmosphere. Rotation angles are also calculated by tracing selected fieldlines; the fieldlines threading through the sunspot are found to rotate through angles of up to 353 degrees over the course of the experiment.

研究の動機と目的

• 観測された太陽 spots の回転の背後にある物理的メカニズム、特に磁気フラックス出現との関連を調査すること。
• 太陽 spots の回転が真の力学的効果であるのか、観測の誤差に起因する見かけの効果であるのかを特定すること。
• フラックスチューブの出現に伴い、光球下の内部から太陽の大気に磁気ホリシティとエネルギーがどの程度輸送されるかを定量化すること。
• 磁気張力が、太陽 spots の光球下の脚部に回転運動を引き起こす不均衡なトルクを生成する役割を果たすかを検討すること。
• 出現中にトーショナルアルフベン波が、内部からコロナにねじれを伝えるという仮説を検証すること。

提案手法

• 3次元抵抗性磁気流体力学（MHD）モデルを、Lagrangian-Remap数値コードを用いて解き、フラックスチューブの出現をシミュレーションした。
• シミュレーションは、トロイダル磁気フラックスチューブが太陽内部を通って上昇し、大気中に出現する過程を追跡した。
• 磁気ホリシティとエネルギーフラックスを計算し、内部から大気にねじれがどの程度輸送されるかを定量化した。
• 磁力線を領域の底面から光球を通って追跡し、直接的に回転角を計算した。
• 垂直電流密度（j_z）と渦状の運動を分析し、内部でのねじれの緩和と大気でのねじれの増加を評価した。
• 磁気張力の役割を評価し、回転を駆動する不均衡なトルクを生成するかを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気フラックス出現中に観測された太陽 spots の回転を引き起こす物理的メカニズムは何か？
• RQ2 この回転は、磁気力によって駆動される真の力学的効果であるのか、観測の誤差に起因する見かけの効果であるのか？
• RQ3 光球下のフラックスチューブからの磁気ホリシティが、太陽の大気にどの程度輸送されるか？
• RQ4 磁気張力が、光球下の脚部に回転運動を引き起こすために果たす貢献は何か？
• RQ5 時間経過とともに、太陽 spots を貫通する磁力線の定量的回転角はどれくらいか？

主な発見

• 太陽 spots の回転は、磁気張力が生成する不均衡なトルクによって駆動されており、見かけの効果ではない。
• 太陽 spots を貫通する磁力線は、シミュレーション全体で最大353°回転し、観測された回転角と一致した。
• 内部の磁気ホリシティの大部分（3.6×10¹⁹ Mx²）が大気に輸送され、出現中にホリシティフラックスが確認された。
• 内部の磁気ホリシティは減少し、大気の磁気ホリシティは増加しており、内部でのねじれの緩和と大気でのねじれの増加が示された。
• 垂直電流密度（j_z）は内部で減少しており、光球下の磁場のねじれの緩和を支持する。
• 回転運動は両方の太陽 spots の磁性源を中心に発生し、出現後に光球で渦状の流れが発生した。