[논문 리뷰] Acoustic wave propagation in the solar atmosphere. IV Nonadiabatic wave excitation with frequency spectra

J. Theurer, P. Ulmschneider외 1명|arXiv (Cornell University)|1997. 03. 17.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 복사 냉각과 충격 소산을 고려한 1차원 유체역학 코드를 사용하여 태양 대기에서의 비등온 음파 전파를 조사한다. 임계 주파수 f_cr ~ 1/25 Hz가 존재하며, 이는 감쇠되는( f < f_cr) 및 지속적인 공진( f > f_cr) 행동을 분리한다. 이는 확률적 주파수 스펙트럼이 고도가 높을수록 3분 대역에 의해 지배되는 안정적인 동적 변화를 겪는 코로나 온도 구조를 형성함을 보여준다.

ABSTRACT

We study the response of the solar atmosphere to excitations by large amplitude acoustic waves with radiation damping now included. Monochromatic adiabatic waves, due to unbalanced heating, generate continuously rising chromospheric temperature plateaus in which the low frequency resonances quickly die out. All non-adiabatic calculations lead to stable mean chromospheric temperature distributions determined by shock dissipation and radiative cooling. For non-adiabatic monochromatic wave excitation, a critical frequency f_cr ~ 1/25 Hz is confirmed, which separates domains of different resonance behaviour. For waves of frequency f &lt; f_cr, the resonances decay, while for waves of f &gt; f_cr persistent resonance oscillations occur, which are perpetuated by shock merging. Excitation with acoustic frequency spectra produces distinct dynamical mean chromosphere models where the detailed temperature distributions depend on the shape of the assumed spectra. The stochasticity of the spectra and the ongoing shock merging lead to a persistent resonance behaviour of the atmosphere. The acoustic spectra show a distinct shape evolution with height such that at great height a pure 3 min band becomes increasingly dominant. With our Eulerian code we did not find appreciable mass flows at the top boundary.

연구 동기 및 목표

• 복사 냉각이 포함된 대규모 비등온 음파에 의한 태양 코로나의 반응을 모델링하기 위해.
• 파동에 의해 유도된 코로나 온도 구조가 안정적이거나 일시적인지에 따라 조건을 규명하기 위해.
• 주파수 스펙트럼의 형태가 평균 대기 구조와 공진 행동에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 충격 소산과 복사 냉각이 평형 온도 분포를 형성하는 데 미치는 역할을 분석하기 위해.
• 비등온 자극 조건 하에서 음파 에너지 스펙트럼이 대기 중 높이에 따라 어떻게 변화하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 태양 대기에서 운동, 에너지 및 연속 방정식을 해결하기 위해 1차원 유라지안 유체역학 코드를 사용한 수치 시뮬레이션.
• 비등온 과정을 모의하기 위해 복사 냉각과 충격 소산을 통합.
• f_cr ~ 1/25 Hz에서의 임계 행동을 규명하기 위해 다양한 주파수로 단색파를 자극.
• 확률적 파동 입력을 시뮬레이션하기 위해 광대역 주파수 스펙트럼을 사용하여 평균 대기 구조를 연구.
• 시간에 따라 변화하는 시뮬레이션을 통해 높이에 따른 파동 에너지 분포와 스펙트럼 진화를 분석.
• 상단 경계에서의 질량 유출을 최소화하기 위해 고정된 하부 경계 조건을 적용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 코로나에서 감쇠되는 것과 지속적인 공진 행동을 분리하는 데 사용되는 임계 주파수 f_cr는 무엇인가?
• RQ2 복사 냉각과 충격 소산과 같은 비등온 효과가 코로나 온도 구조의 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 음파 주파수 스펙트럼의 형태가 평균 코로나 온도 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 비등온 자극 조건 하에서 태양 대기 중 높이에 따른 음파 에너지 스펙트럼의 진화는 어떻게 되는가?
• RQ5 충격 합성과 확률적 자극이 코로나에서 지속적인 공진을 얼마나 오랫동안 유지하는가?

주요 결과

• 임계 주파수 f_cr ~ 1/25 Hz가 확인되었으며, 이 주파수 이하에서는 공진이 감쇠되고, 이 이상에서는 충격 합성에 의해 지속적인 진동이 발생한다.
• 비등온 파동 자극은 충격 소산과 복사 냉각의 균형에 의해 결정되는 안정적인 평균 코로나 온도 분포를 유도한다.
• 주파수 스펙트럼으로 자극할 경우, 스펙트럼의 형태에 따라 온도 구조가 달라지는 특징적인 동적 평균 코로나 모델이 생성된다.
• 음파 스펙트럼은 고도에 따라 진화하며, 고도가 높아질수록 3분 대역이 지배적이다.
• 계산 영역의 상단 경계에서 눈에 띄는 질량 유출은 관측되지 않아, 에너지가 코로나층 내에서 국소화되어 있음을 시사한다.
• 충격 합성은 f > f_cr 조건에서 공진 진동을 유지시켜 코로나로 지속적인 에너지 전달을 가능하게 한다.