[논문 리뷰] A Parametric Study of Erupting Flux Rope Rotation. Modeling the "Cartwheel CME" on 9 April 2008

B. Kliem, Tibor Török외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 12. 14.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 57인용 수 29

한 줄 요약

이 연구는 자기역학유체역학(MHD) 시뮬레이션을 이용해 태양 코로나에서 분출되는 플럭스 로프의 회전 역학을 조사하며, 외부 비틀림장과 내부 자기 비틀림의 역할에 초점을 맞춘다. 연구 결과, 큰 스케일의 회전(예: ~115°)을 일으키는 데 외부 비틀림장에 의한 회전이 내부 자기 비틀림에 의한 회전보다 지배적임을 밝혀내었으며, 약한 케이크 불안정성(Φ = 3.5π)을 가진 플럭스 로프만이 2008년 4월 9일의 카트휠 CME를 정확히 재현함을 확인하여, 이러한 사건에서 외부 비틀림장이 회전의 주요 원동력임을 시사한다.

ABSTRACT

The rotation of erupting filaments in the solar corona is addressed through a parametric simulation study of unstable, rotating flux ropes in bipolar force-free initial equilibrium. The Lorentz force due to the external shear field component and the relaxation of tension in the twisted field are the major contributors to the rotation in this model, while reconnection with the ambient field is of minor importance. Both major mechanisms writhe the flux rope axis, converting part of the initial twist helicity, and produce rotation profiles which, to a large part, are very similar in a range of shear-twist combinations. A difference lies in the tendency of twist-driven rotation to saturate at lower heights than shear-driven rotation. For parameters characteristic of the source regions of erupting filaments and coronal mass ejections, the shear field is found to be the dominant origin of rotations in the corona and to be required if the rotation reaches angles of order 90 degrees and higher; it dominates even if the twist exceeds the threshold of the helical kink instability. The contributions by shear and twist to the total rotation can be disentangled in the analysis of observations if the rotation and rise profiles are simultaneously compared with model calculations. The resulting twist estimate allows one to judge whether the helical kink instability occurred. This is demonstrated for the erupting prominence in the "Cartwheel CME" on 9 April 2008, which has shown a rotation of \approx 115 degrees up to a height of 1.5 R_sun above the photosphere. Out of a range of initial equilibria which include strongly kink-unstable (twist Phi=5pi), weakly kink-unstable (Phi=3.5pi), and kink-stable (Phi=2.5pi) configurations, only the evolution of the weakly kink-unstable flux rope matches the observations in their entirety.

연구 동기 및 목표

• 태양 코로나에서 분출되는 플럭스 로프의 회전을 이끄는 주요 물리적 메커니즘을 규명하는 것.
• CME에서 나선형 케이크 불안정성인지, 외부 비틀림장이 회전의 주요 원동력인지 평가하는 것.
• 2008년 4월 9일의 카트휠 CME에서 관측된 회전 프로파일이 플럭스 로프 분출의 MHD 시뮬레이션에 의해 재현 가능한지 평가하는 것.
• 관측 분석을 위한 총 회전에 대한 비틀림과 비틀림의 기여도를 분리하는 것.
• 저배율 조건에서 외부 필드의 극성 역전선(PIL)이 플럭스 로프의 회전을 유도하는지 여부를 평가하는 것.

제안 방법

• 초기 비틀림(Φ = 2.5π, 3.5π, 5π)과 비틀림장 강도(B_et/B_ep = 0.67)를 변화시킨 이중극성, 힘 자유 평형 상태에서의 불안정하고 도는 플럭스 로프에 대한 매개변수 MHD 시뮬레이션 연구를 수행하는 것.
• 압력 기여를 제거하기 위해 0-배율 MHD 모델을 사용하여 레온르츠 힘의 영향을 분리하며, 외부 타원형 자기장 성분(B_et)과 내부 비틀림 헬리시티의 역할을 집중적으로 분석하는 것.
• 수정된 티토브-데무아린 모델에서 유도된 초기 평형 상태를 사용하여, 힘 자유 및 비힘 자유 구성 모두를 포함하는 시뮬레이션을 수행하는 것.
• 카트휠 CME의 관측 결과, 특히 1.5 R⊙ 높이까지의 ~115°의 회전을 기반으로 시뮬레이션된 회전 프로파일(각도 대 높이)을 비교하는 것.
• 플럭스 로프 축과 그 자기 헬리시티의 진화를 분석하여 비틀림에 의한 회전과 비틀림장에 의한 회전 메커니즘을 구분하는 것.
• 광화면 자기장도를 기반으로 잠재장 외삽을 수행하여 진정한 코로나 자기장 추정하고, CPIL(coronal PIL)이 회전 유도에 미치는 영향을 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 비틀림장과 내부 자기 비틀림 중 어느 것이 코로나에서 분출되는 플럭스 로프의 회전에 더 큰 기여를 하는가?
• RQ2 2008년 4월 9일의 카트휠 CME에서 관측된 약 ~115°의 회전이 플럭스 로프 분출의 MHD 시뮬레이션에 의해 재현 가능한가?
• RQ3 저배율 코로나 조건에서 외부 필드의 극성 역전선(PIL)이 분출되는 플럭스 로프의 회전을 유도하는가?
• RQ4 헬리컬 케이크 불안정성이 비틀림장에 의한 회전보다 지배적인 조건은 언제이며, 반대로 비틀림장에 의한 회전이 지배적인 조건은 언제인가?
• RQ5 관측된 회전 및 상승 프로파일을 통해 초기 비틀림을 추론하고, 케이크 불안정성이 발생했는지 여부를 판단할 수 있는가?

주요 결과

• 외부 비틀림장에 의한 회전이 강한 케이크 불안정성(Φ = 5π)이 있는 경우에도 대규모 회전(>90°)에 지배적인 메커니즘임을 확인함.
• 비틀림에 의한 회전은 비틀림장에 의한 회전보다 낮은 높이에서 포화됨을 나타내어, 서로 다른 역학적 시간 스케일을 가짐.
• 오직 약한 케이크 불안정성(Φ = 3.5π)을 가진 플럭스 로프만이 카트휠 CME의 전체 관측 프로파일(회전 각도 및 상승 높이 포함)을 재현함.
• 카트휠 CME의 회전 프로파일은 B_et/B_ep = 0.67인 구성에서 가장 잘 일치함을 확인하여, 상당한 외부 비틀림장이 존재함을 시사함.
• 저배율 코로나 조건에서 외부 필드에 의해 형성된 CPIL(coronal PIL)은 플럭스 로프의 회전을 유도하지 않으며, 필요한 전류 구조와 레온르츠 힘을 갖추지 못함.
• 관측 결과와 모델 시뮬레이션의 비교를 통해 비틀림과 비틀림장의 기여도를 분리 가능하며, 이는 초기 비틀림과 케이크 불안정성 상태를 추론하는 데 기여함.