[논문 리뷰] Determination of coronal temperatures from electron density profiles

J. Lemaire|arXiv (Cornell University)|2011. 12. 16.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 29인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 백색광(WL) 전자 밀도 측정값으로부터 코로나 온도 프로파일을 유도하기 위한 세 가지 방법—스케일 높이(shm), 수소적 평형(hst), 동역학적(dyn)—을 소개하고 비교한다. 동역학적(dyn) 방법은 팽창 속도를 자유 매개변수로 삼아 동역학 방정식을 푸는 것으로, 특히 고도가 높아질수록 더 물리적으로 일관된 온도 분포를 제공하며, 최대 코로나 가열의 반경 범위를 특정한다.

ABSTRACT

The most popular method for determining coronal temperatures is the scale-height-method (shm). It is based on electron density profiles inferred from White Light (WL) brightness measurements of the corona during solar eclipses. This method has been applied to several published coronal electron density models. The calculated temperature distributions reach a maximum at r > 1.3 RS, and therefore do not satisfy one of the conditions for applying the shm method. Another method is the hydrostatic equilibrium method (hst), which enables coronal temperature distributions to be determined, providing solutions to the hydrostatic equilibrium equation. The temperature maximas using the hst method are almost equal to those obtained using the shm method, but the temperature peak is always at significantly lower altitude when the hst-method is used than when the shm-method is used. A third and more recently developed method, dyn, can be used for the same published electron density profiles. The temperature distributions obtained using the dyn method are regular solutions of the hydrodynamic equations. They depend on the expansion velocity of the coronal plasma considered as a free input parameter in the calculations. At the base of the solar corona, where the coronal bulk velocity is small (subsonic), the dyn and hst methods give similar temperature values. Larger differences are found at higher altitudes where the expansion velocity approaches and exceeds the velocity of sound. This paper shows also the effects of the flow tube geometry and ion temperatures on the electron temperature distributions. The dyn method is a generalization of the hst method, where the electron temperature distribution tends to zero at infinite radial distances. It is a new diagnostic tool for determining from WL coronal observations the range of radial distances where the coronal heating rate is at its maximum.

연구 동기 및 목표

• 백색광 전자 밀도 프로파일에서 코로나 온도를 유추하기 위한 스케일 높이, 수소적 평형, 동역학적 방법을 평가하고 비교하는 것.
• 스케일 높이 방법에서 r > 1.3 RS에서 온도 최대치가 발생하는 물리적 비일관성 문제를 다루는 것. 이는 해당 방법의 기본 가정을 위반한다.
• 동역학적(dyn) 방법이 팽창 속도를 입력으로 삼아 동역학 방정식을 기반으로 하여, 특히 고도가 높아질수록 더 현실적인 온도 프로파일을 도출함을 보여주는 것.
• 유동관 기하학과 이온 온도가 전자 온도 분포에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 동역학적 방법을 진단 도구로 사용하여 코로나 가열이 최대가 되는 반경 범위를 특정하는 것.

제안 방법

• 태양 total 일식 관측에서 얻은 공개된 백색광(WL) 전자 밀도 프로파일에 스케일 높이 방법(shm)을 적용한다.
• 수소적 평형 방법(hst)을 사용하여 수소적 평형 방정식을 풀어, 힘의 균형을 가정한 온도 프로파일을 도출한다.
• 동역학적(dyn) 방법을 도입하여, 질량, 운동량, 에너지 보존을 포함한 전체 동역학 방정식을 팽창 속도를 자유 매개변수로 삼아 푸는 방법이다.
• 모든 세 가지 방법의 온도 분포를 반경 거리에 따라 비교하며, 온도 최대치의 위치와 크기를 집중적으로 분석한다.
• 동역학적 방법에 흐름관 기하학과 이온 온도의 영향을 포함시켜 전자 온도 프로파일에 영향을 분석한다.
• 동역학적 방법의 渐近적 행동—무한한 반경 거리에서 온도가 0으로 수렴하는 것—을 물리적 조건으로 삼아 해를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 스케일 높이 방법은 r > 1.3 RS에서 온도 최대치를 생성하여 자기의 가정을 위반하는가?
• RQ2 동일한 전자 밀도 데이터에서 수소적 평형(hst) 방법과 동역학적(dyn) 방법은 코로나 온도 프로파일을 어떻게 비교하여 예측하는가?
• RQ3 플라즈마 팽창 속도가 유도된 온도 프로파일에 미치는 영향은 무엇이며, 특히 고도가 높아질수록 어떤가?
• RQ4 유동관 기하학과 이온 온도는 유추된 전자 온도 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 동역학적 방법에 따르면 코로나 가열률이 최대가 되는 반경 거리는 어느 곳인가?

주요 결과

• 스케일 높이 방법(shm)은 r > 1.3 RS에서 온도 최대치를 생성하며, 이는 온도가 스케일 높이 이하에서 최대가 되어야 한다는 조건을 위반하여 물리적으로 일관되지 않다.
• 수소적 평형 방법(hst)은 shm 방법보다 훨씬 낮은 고도에서 온도 최대치를 도출하지만, 여전히 플라즈마 팽창을 고려하지 못한다.
• 동역학적(dyn) 방법은 동역학 방정식에 대해 규칙적인 해를 도출하며, 팽창 속도가 음속에 도달하거나 초과하는 고도에서 물리적 기대에 부합하는 온도 프로파일을 제공한다.
• 코로나 기저부(낮은 팽창 속도)에서는 dyn 및 hst 방법이 유사한 온도 값을 도출하지만, 반경 거리가 증가함에 따라 차이가 커진다.
• dyn 방법은 전자 온도가 무한한 반경 거리에서 0으로 수렴함을 예측하여 물리적으로 타당한 渐近적 조건을 제공한다.
• dyn 방법은 최대 코로나 가열의 반경 범위를 특정하며, 백색광 관측을 활용한 코로나 가열 메커니즘 연구를 위한 새로운 진단 도구를 제공한다.