[論文レビュー] Vortices evolution in the solar atmosphere: A dynamical equation for the swirling strength

J. R. Canivete Cuissa, O. Steiner|arXiv (Cornell University)|May 26, 2020

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 35被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、乱流中の流れの渦識別基準としての渦度よりも正確な「渦度強度」の最初の解析的進化方程式を導出し、太陽の大気の放射磁気流体力学（MHD）シミュレーションに適用した。主な貢献は、対流層と光球層では流体力学的および磁気的ストロベリニティ（baroclinicity）が渦生成の主な駆動要因であることを特定したことであり、特に、コアスフィアでは磁気的項のみが支配的であり、磁気フラックス濃集部内での小スケールで混沌とした形で渦度強度が生成されることを明らかにした。

ABSTRACT

We study vortex dynamics in the solar atmosphere by employing and deriving the analytical evolution equations of two vortex identification criteria. The two criteria used are vorticity and the swirling strength. Vorticity can be biased in the presence of shear flows, but its dynamical equation is well known; the swirling strength is a more precise criterion for the identification of vortical flows, but its evolution equation is not known yet. Therefore, we explore the possibility of deriving a dynamical equation for the swirling strength. We then apply the two equations to analyze radiative MHD simulations of the solar atmosphere produced with the CO5BOLD code. We present a detailed review of the swirling strength criterion and the mathematical derivation of its evolution equation. This equation did not exist in the literature before and it constitutes a novel tool that is suitable for the analysis of a wide range of problems in (magneto-)hydrodynamics. By applying this equation to numerical models, we find that hydrodynamical and magnetic baroclinicities are the driving physical processes responsible for vortex generation in the convection zone and the photosphere. Higher up in the chromosphere, the magnetic terms alone dominate. Moreover, we find that the swirling strength is produced at small scales in a chaotic fashion, especially inside magnetic flux concentrations. The swirling strength represents an appropriate criterion for the identification of vortices in turbulent flows, such as those in the solar atmosphere. Moreover, its evolution equation, which is derived in this paper, is pivotal for obtaining precise information about the dynamics of these vortices and the physical mechanisms responsible for their production and evolution. Since this equation is available, the swirling strength is now the ideal quantity to study the dynamics of vortices in (magneto-)hydrodynamics.

研究の動機と目的

• 乱流中の太陽の流れにおいて、せん断流れのバイアスによって劣化する渦度を用いた渦識別基準の限界を解消すること。
• 渦検出のための物理的根拠に基づいた、頑健な代替基準としての渦度強度を用いること。
• （磁気）流体力学における渦度強度の最初の解析的進化方程式を導出すること。
• この方程式を放射MHDシミュレーションに適用し、太陽大気における渦生成および進化を支配する主な物理的メカニズムを特定すること。
• 特に磁気トルネードやエネルギー輸送の文脈において、太陽プラズマにおける渦のより正確な動的解析を可能にすること。

提案手法

• 運動量方程式と速度勾配テンソルの分解を用いて、渦度強度の進化方程式を導出する。
• CO 5 BOLDコードで生成された3次元放射MHDシミュレーションに、導出された方程式を適用する。
• シミュレーションの速度場および磁場データを用いて、各空間点および時間ステップにおける渦度強度方程式のすべての項を計算する。
• 異なる大気層における源項（例：ストロベリニティ、磁気的張力）の空間的分布および相対的寄与度を分析する。
• 3つの特徴的な高さにおける水平断面図を可視化し、空間的パターンおよびスケール構造を明らかにする。
• 渦度強度と渦度のダイナミクスを比較することで、渦識別の信頼性およびせん断流れの役割を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽の対流層および光球層において、渦度強度の生成を主に駆動する物理的メカニズムは何か？
• RQ2 渦度強度の生成は、その主な源項の観点から、渦度の生成とどのように異なるか？
• RQ3 コアスフィアにおいて、磁気的ストロベリニティおよび磁気的張力項は、渦度強度の進化にどの程度寄与するか？
• RQ4 太陽大気のどの領域で渦度強度が最も強く生成され、その生成の空間的構造はどのようなものか？
• RQ5 渦度強度基準は、磁気的環境が複雑で乱流が強い状況下でも、渦度基準よりも信頼性の高い渦検出が可能か？

主な発見

• 対流層および光球層では、流体力学的および磁気的ストロベリニティが、垂直方向の渦度強度生成の主な物理的プロセスである。
• コアスフィアでは、磁気的項のみが渦度強度生成を支配しており、光球層と比較してより等方的かつ広範囲にわたる分布を示す。
• 渦度強度は、特に磁気フラックス濃集部内で小スケールで混沌とした、断続的な形で生成される。
• 渦度強度の生成は、流体力学的および磁気的ストロベリニティ項の寄与が互いに逆方向になることが多く、局所的に相殺されることがある。
• コアスフィアでは、磁気的張力と磁気的ストロベリニティが、渦度強度の進化に等しく寄与するが、渦度ダイナミクスとは異なり、張力が支配的である。
• 渦度強度生成の空間的構造には、小スケールの逆向きのパッチが存在し、これにより乱流運動やねじれ型アルヴェーン波との関連が示唆される。