[논문 리뷰] Chromospheric heating and structure as determined from high resolution 3D simulations

M. Carlsson, V. H. Hansteen외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 01. 10.

Solar and Space Plasma Dynamics인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 대류권에서 corona에 이르는 고해상도 3차원 복사-MHD 시뮬레이션을 사용하여 자기력선 집중부 근처의 코로나와 코어포어의 가열 및 구조를 조사한다. 그 결과, 자기력선 집중부의 가장자리에서 줄열 가열이 지배적이며, 이로 인해 하부 코어포어에서 주변보다 온도가 높아지며, 비틀린 자기장선 沿해 전파되는 음향파가 Ca II 854.2 nm와 같은 코어포어 선에서 관측되는 둥근 운동을 유도하는 것으로 밝혀졌다.

ABSTRACT

We have performed 3D radiation MHD simulations extending from the convection zone to the corona covering a box 16 Mm$^3$ at 32 km spatial resolution. The simulations show very fine structure in the chromosphere with acoustic shocks interacting with the magnetic field. Magnetic flux concentrations have a temperature lower than the surroundings in the photosphere but higher in the low chromosphere. The heating is there mostly through ohmic dissipation preferentially at the edges of the flux concentrations. The magnetic field is often wound up around the flux concentrations. When acoustic waves travel up along the field this topology leads to swirling motions seen in chromospheric diagnostic lines such as the calcium infrared triplet.

연구 동기 및 목표

• 태양 대기에서 코어포어 가열 및 구조를 이끄는 물리적 메커니즘을 이해하기 위해.
• 코어포어에서 자기장, 음향파, 복사 에너지 이동 간의 복잡한 상호작용을 해소하기 위해.
• 자기력선 집중부가 코어포어의 온도, 속도, 가열 패턴에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 비- LTE 조건 하에서 코어포어 진단 선 프로파일(특히 Ca II 적외선 삼중선)의 형성 메커니즘을 모델링하기 위해.
• 오믹 소산과 파동 역학이 코어포어의 구조 및 가열에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 시뮬레이션은 6차 정확도 유한차분법을 사용하여 격자 격자에 배치된 메쉬에서 복사-MHD 방정식을 풀며, 5차 보간을 적용한다.
• 시간 적분은 가변 시간 간격과 고차수 인공 점성 및 확산 계수를 포함한 3차 예측-수정 방법을 사용한다.
• 복사 전달은 24개의 레이어를 따라 도메인 분할 단순 특성선 방법으로 해결하며, 일관된 산란과 다중 그룹 투과율을 포함한다.
• H 및 Ca II의 비- LTE 복사 손실은 1차원 비- LTE 시뮬레이션 기반의 탈출 확률 형식으로 모델링된다.
• 열전도는 자기장선을 따라 다중 격자 방법을 사용하여 암시적으로 해결된다.
• 시뮬레이션 도메인은 16.6×16.6×15.5 Mm³이며, 512×512×325 격점과 32 km 해상도를 가지며, 대류권에서 코로나에 이르는 범위를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기력선 집중부 근처 코어포어에서 지배적인 가열 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 음향파와 자기장 구조가 상호작용하여 관측 가능한 코어포어 역학을 어떻게 생성하는가?
• RQ3 자기력선 집중부는 상대적으로 간격 틈과 그레뉴라에 비해 온도 역전 현상을 보이는 이유는 무엇인가?
• RQ4 Ca II 854.2 nm와 같은 코어포어 선에서 관측되는 둥근 운동은 자기장선을 따라 전파되는 파동으로부터 어떻게 유래되는가?
• RQ5 비- LTE 효과와 코로나 후방 복사가 코어포어의 구조 및 에너지 균형에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 자기력선 집중부는 상부 광구와 하부 코어포어에서 간격 틈과 그레뉴라보다 더 높은 온도를 가지며, 이는 가장자리에서 국소적인 줄열 가열 때문이다.
• 줄열 가열은 코어포어에서 주요 에너지원이며, 자기장 기울기가 가장 큰 자기력선 집중부의 둘레에서 최대에 도달한다.
• 비틀린 자기장선을 따라 전파되는 음향파는 나선형 자기장 구조를 생성하고, Ca II 854.2 nm 선 프로파일에서 관측되는 둥근 운동을 유도한다.
• 시뮬레이션은 관측된 코어포어 선에서의 둥근 운동을 재현하며, Wedemeyer-Böhm & Rouppe van der Voort (2009)의 최신 관측 결과와 일치한다.
• 발원점 운동으로 인해 자기장 구조가 동적으로 변화하며, 일시적인 힘-무게 균형 상태와 코어포어에서 자기장선의 감김 현상이 발생한다.
• 고해상도에서 국소 다이나모 작용으로 인해 평균 무부호 자기장 강도가 시간이 지남에 따라 증가하며, 시뮬레이션 기간 동안 약 10 G에서 더 높은 값으로 증가한다.