[論文レビュー] Two-fluid simulations of waves in the solar chromosphere II. Propagation and damping of fast magneto-acoustic waves and shocks

B. Popescu Braileanu, V. S. Lukin+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2019

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 63被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、部分的イオン化およびイオン-中性子分離を考慮した2流体MHDシミュレーションを用いて、太陽のコロナ層における高速磁気音響波および衝撃波の伝播と減衰を調査する。波の分離は、衝突スケール一致と周波数依存効果によって引き起こされ、高コロナ層で顕著になる。これにより減衰と摩擦加熱が増加し、非線形波の傾きが衝撃波を形成するが、衝突減衰によってC型に類似したプロファイルに滑らかに変化する。

ABSTRACT

Waves and shocks traveling through the solar chromospheric plasma are influenced by its partial ionization and weak collisional coupling, and may become susceptible to multi-fluid effects, similar to interstellar shock waves. In this study, we consider fast magneto-acoustic shock wave formation and propagation in a stratified medium, that is permeated by a horizontal magnetic field, with properties similar to that of the solar chromosphere. The evolution of plasma and neutrals is modeled using a two-fluid code that evolves a set of coupled equations for two separate fluids. We observed that waves in neutrals and plasma, initially coupled at the upper photosphere, become uncoupled at higher heights in the chromosphere. This decoupling can be a consequence of either the characteristic spatial scale at the shock front, that becomes similar to the collisional scale, or the change in the relation between the wave frequency, ion cyclotron frequency, and the collisional frequency with height. The decoupling height is a sensitive function of the wave frequency, wave amplitude, and the magnetic field strength. We observed that decoupling causes damping of waves and an increase in the background temperature due to the frictional heating. The comparison between analytical and numerical results allows us to separate the role of the nonlinear effects from the linear ones on the decoupling and damping of waves.

研究の動機と目的

• 部分的イオン化および弱い衝突的結合が太陽コロナ層における波の伝播と減衰に与える影響を理解すること。
• 密度勾配を有する磁場付き部分的イオン化プラズマにおける高速磁気音響衝撃波の形成と進化を調査すること。
• プラズマと中性子流体が分離する条件を特定し、波エネルギーの散逸に与える影響を明らかにすること。
• 線形および非線形効果が波の減衰および衝撃波構造に果たす役割を区別すること。
• 数値的シミュレーションを解析的WKB解と比較し、密度勾配を有する媒質における波の減衰を検証すること。

提案手法

• イオン化プラズマと中性子流体の成分を記述する連立方程式を解く2流体コードを用いた数値的シミュレーション。
• 水平磁場を有し、高さに依存するイオン化度および衝突周波数を有する密度勾配を有する太陽コロナ層をモデル化。
• 衝突平均自由行程が高さとともに増加するため、イオン-中性子摩擦を主要な散逸メカニズムとして組み込む。
• WKB近似を用いて線形波の減衰を解析的に推定し、非線形数値結果と比較する。
• 摩擦加熱に起因する波の振幅の変化、衝撃波前端の形状、および温度上昇を追跡する。
• 衝撃幅が衝突スケールに対して相対的にどの程度であるかに応じて、J型からC型衝撃波プロファイルへの遷移を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高速磁気音響波において、イオン-中性子分離はどの高さで発生するか。また、波の周波数、振幅、磁場強度にどのように依存するか。
• RQ2 非線形波の傾きと衝突減衰は、衝撃波前端の形状とエネルギー散逸にどのように影響するか。
• RQ3 部分的イオン化コロナ層における波の減衰に、線形効果と非線形効果の両方がどの程度寄与するか。
• RQ4 重力的密度勾配は、特に強い磁場下において、波の振幅および減衰長にどのように影響するか。
• RQ5 衝撃波がC型またはJ型として振る舞う条件は何か。また、高さに伴ってその挙動はどのように変化するか。

主な発見

• プラズマと中性子流体の分離は、衝撃波前端の空間スケールがイオン-中性子衝突平均自由行程と同等に達する高さで発生する。この平均自由行程は高さとともに増加する。
• 分離の高さは波の周波数、振幅、磁場強度に敏感であり、周波数が高いほど、磁場が強いほど、分離は遅れる。
• イオン-中性子摩擦により波の減衰が顕著に増加し、背景温度の明確な上昇が観測される。
• 非線形効果により波前端が傾き、衝撃波が形成される。1.5 Mmの高さでは、衝撃幅が2 kmの衝突平均自由行程と同等の値にまで減少する。
• 上部コロナ層では、衝撃幅が平均自由行程よりもはるかに大きくても、衝突減衰の影響でC型に類似したプロファイルに滑らかに変化する。
• 数値的シミュレーションと解析的WKB解の両者で減衰率に良好な一致が得られ、線形および非線形波領域におけるモデルの正確性が裏付けられた。