[論文レビュー] The structure of sunspot penumbrae IV. MHS equilibrium for penumbral flux tubes and the origin of dark core penumbral filaments and penumbral grains

J. M. Borrero|ArXiv.org|Apr 24, 2007

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 31被引用数 16

ひとこと要約

本研究は、円形断面を持つ水平な sunspot ひつぼんのペヌーブラフラックスチューブにおける磁気流体静的（MHS）平衡を調査し、磁場が横方向成分を有する場合に力の釣り合いが達成されることを示している。その結果得られる熱力学的構造は、チューブ上部における高密度・低温の状態により、暗黒コアペヌーブラフィラメントおよびペヌーブラグレインを再現し、分光偏光観測と整合的である。Evershed 流は暗黒帯に集中しており、これも観測と一致する。

ABSTRACT

We study the magnetohydrostatic equilibrium of magnetic flux tubes with circular cross sections embedded in a magnetic surrounding atmosphere. We solve the static momentum equation in 2.5D to obtain the thermodynamics that are consistent with a prescribed velocity and magnetic fields. We show that force balance is roughly satisfied if the flux tube's magnetic field is aligned with its axis. Equilibrium is guaranteed if this magnetic field possesses a transverse component. Several forms of this transverse field are investigated. The resulting magnetic field configurations are critically reviewed in terms of the results from spectropolarimetric observations. The thermodynamic structure that allows the flux tube to be in mechanical equilibrium is also calculated. We show that the inferred pressure, density and temperature stratification reproduce intensity features similar to dark core penumbral filaments and penumbral grains.

研究の動機と目的

• 薄いフラックスチューブ近似が適用できない状況下において、太陽spotsのペヌーブラ領域における円形断面を持つ水平フラックスチューブの磁気流体静的平衡を調査すること。
• 特に、チューブ半径が圧力スケール高さと同等に近い光球層において、現実的な太陽環境下でこのようなフラックスチューブが力学的平衡に達するかどうかを特定すること。
• 計算された熱力学的構造を通じて、観測された強度特徴（例えば、暗黒コアペヌーブラフィラメントやペヌーブラグレイン）を再現すること。
• 得られた磁場および熱力学的構造を、特に磁場の傾き、速度勾配、Evershed 流に関して分光偏光観測と比較すること。

提案手法

• 指定された速度および磁場分布に整合する圧力、密度、温度分布を求めるために、円筒座標系における2.5次元静的運動量方程式を解く。
• 外部大気における磁場をポテンシャル場と仮定し、フラックスチューブ界面における境界条件を適用して、妥当な内部磁場配置を導出する。
• 力の釣り合いを満たし、平衡を可能にするために、一般形のフラックスチューブ磁場に横方向成分を含める。
• エネルギー方程式や動的進化を仮定せず、力の釣り合い下で運動量方程式から熱力学的層構造（P, ρ, T）を計算する。
• 放射移動方程式を用いて連続スペクトル強度をシミュレートし、モデル出力と観測されたペヌーブラ特徴を比較する。
• Evershed 流（チューブ内では v = v₀ eₓ、外では v = 0）や分光偏光観測による磁場の傾き勾配といった観測的制約を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 薄いフラックスチューブ近似が成立しない状況下で、円形断面を持つ水平フラックスチューブがペヌーブラ領域で磁気流体静的平衡に達することができるか？
• RQ2 特に横方向磁場成分が存在する場合に、フラックスチューブ内での磁場配置がどのように力の釣り合いを保証するか？
• RQ3 得られた熱力学的構造は、観測された暗黒コアペヌーブラフィラメントおよびペヌーブラグレインを再現するか？
• RQ4 シミュレートされた強度プロファイルおよび速度勾配は、高分解能分光偏光観測とどのように一致するか？
• RQ5 なぜモデルではフラックスチューブの下端が見えないのか？これは観測的証拠とどのように比較されるか？

主な発見

• 磁場がチューブ軸に沿っている場合、力の釣り合いは近似的にしか満たされないが、横方向磁場成分が存在する場合、平衡状態が著しく改善される。
• 横方向磁場配置に起因する熱力学的構造は、フラックスチューブ上部で高密度・低温の状態を生じさせ、暗黒コアペヌーブラフィラメントを再現する。
• モデルは、フィラメントの暗黒帯に集中する Evershed 流を再現しており、チューブ中心部の高透過率が暗黒効果を強化している。
• シミュレートされた強度プロファイルは、観測された連続スペクトル特徴と一致し、フラックスチューブ上部が τ₅ = 1 のレベルを形成しているため、下端は分光偏光観測では見えない。
• モデルは、フィラメントの明るい側に弱い流れを予測しており、Bellot Rubio et al. (2005) の観測と整合的である。
• 高密度のプラズマが低密度領域の上に存在するため、レイノルズ＝ターレイユ不安定性に起因する不安定性が生じやすく、水平磁場が安定化に果たす役割はまだ明確でない。