[論文レビュー] The standard flare model in three dimensions III. Slip-running reconnection properties

Miho Janvier, G. Aulanier+2 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2013

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 57被引用数 70

ひとこと要約

本研究では、トロイド不安定なフラックスロープを用いた磁流力学的シミュレーションを用いて、爆発的ソーラーフレアにおける3次元磁気リコネクションを調査した。クォズィ・セパラトリクス層（QSL）マッピングノルム N がスリップランニングリコネクションの主要制御パラメータであることが特定され、磁力線のスリップ速度が N に線形比例することを示した。これにより、フレア後のループのスーパー・アルフベーン運動が説明され、標準的な CSHKP フレアモデルが物理的メカニズムを伴って3次元に拡張された。

ABSTRACT

A standard model for eruptive flares aims at describing observational 3D features of the reconnecting coronal magnetic field. Extensions to the 2D model require the physical understanding of 3D reconnection processes at the origin of the magnetic configuration evolution. However, the properties of 3D reconnection without null point and separatrices still need to be analyzed. We focus on magnetic reconnection associated with the growth and evolution of a flux rope and associated flare loops during an eruptive flare. We aim at understanding the intrinsic characteristics of 3D reconnection in the presence of quasi-separatrix layers (QSLs), how QSL properties are related to the slip-running reconnection mode in general, and how this applies to eruptive flares in particular. We studied the slip-running reconnection of field lines in a magnetohydrodynamic simulation of an eruptive flare associated with a torus-unstable flux rope. Field lines associated with the flux rope and the flare loops undergo a continuous series of magnetic reconnection, which results in their super-Alfvenic slipping motion. The time profile of their slippage speed and the space distribution of the mapping norm are shown to be strongly correlated. We find that the motion speed is proportional to the mapping norm. Moreover, this slip-running motion becomes faster as the flux rope expands, since the 3D current layer evolves toward a current sheet, and QSLs to separatrices. The present analysis extends our understanding of the 3D slip-running reconnection regime. We identified a controlling parameter of the apparent velocity of field lines while they slip-reconnect, enabling the interpretation of the evolution of post flare loops. This work completes the standard model for flares and eruptions by giving its 3D properties.

研究の動機と目的

• ノードポイントや分離子を含まない、爆発的フレアにおける内在的な3次元リコネクション過程を理解すること。
• フラックスロープの拡張中に、クォズィ・セパラトリクス層（QSL）がスリップランニングリコネクションモードをどのように制御するかを調査すること。
• QSLの特性、特にマッピングノルム N を、観測されたフレアループ磁力線のスーパー・アルフベーンスリップ速度と関連付けること。
• 2次元標準 CSHKP フレアモデルを、特にフラックスロープ駆動型の爆発的フレアを想定して、3次元磁気的トポロジーとダイナミクスを含む形に拡張すること。
• スリップランニングリコネクション機構が、本研究のシミュレーション設定を超えて、他の爆発的フレアシナリオにも普遍的に適用可能かどうかを特定すること。

提案手法

• トロイド不安定なフラックスロープによって駆動される爆発的フレアの3次元磁流力学（MHD）シミュレーションを実施した。
• 磁力線の接続性勾配を定量化するため、クォズィ・セパラトリクス層（QSL）のパラメータとして、スクェーシング度とマッピングノルム N を計算した。
• マッピングノルム N の空間的・時間的プロファイルと相関させながら、磁力線スリップ速度の時間的変化を追跡した。
• 異なる時刻における高磁場張力（HFT）領域を縦断する断面を用いて、電流層およびQSL構造の進化を分析した。
• リコネクション速度、QSLフットポイントの運動、および光球面におけるQSLの変位速度の関係を定量化した。
• 局所的リコネクション効率とその制御が、磁力線の顕在的運動に与える影響を、磁力線マッピングノルム N をプロキシとして用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QSLの特性、特にマッピングノルム N が、3次元リコネクションにおける磁力線のスリップランニングリコネクション速度にどのように影響を与えるか。
• RQ2 QSLの空間的分布と、観測されたフレア後ループ磁力線のスーパー・アルフベーンスリップとの関係は何か。
• RQ3 3次元電流層が電流シートに近づく過程が、リコネクションのダイナミクスおよび磁力線運動に与える影響は何か。
• RQ4 3次元スリップランニングリコネクション機構が、フレアループの時間的進化およびそのシアー遷移をどの程度説明できるか。
• RQ5 本研究で提示された3次元リコネクションダイナミクスは、トロイド不安定なフラックスロープのシナリオを超えて、他の爆発的フレアモデルにも一般化可能か。

主な発見

• 磁力線のスリップ速度は、クォズィ・セパラトリクス層（QSL）のマッピングノルム N に線形比例し、v_slip(t) ≈ v_QSL × N(t) と表される。
• マッピングノルム N は、フラックスロープの拡張とQSLの薄型化に伴い、時間とともに指数関数的に増加する。
• フラックスロープが拡張するに従い、3次元電流層は電流シートに近づき、QSLは分離子に近づくよう進化し、リコネクション効率が向上する。
• スリップランニングリコネクションモードは、磁力線のスーパー・アルフベーン運動を引き起こし、フレア後のループ進化の観測と整合的である。
• QSLフットプリンツは偏極反転線（PIL）から離れて移動し、フレアリボンの運動を模倣する。その空間的プロファイルが、磁力線フットポイントの加速を制御する。
• リコネクションプロセスにより、フレアループにおける強いから弱いシアーへの遷移が生じ、また、リコネクション駆動による磁気シアーの転送によって、爆発的フラックスロープの周囲に高レベルにねじれたエンVELOープが形成される。