[논문 리뷰] Extended Coronal Heating and Solar Wind Acceleration Over the Solar Cycle

Steven R. Cranmer, John L. Kohl외 2명|arXiv (Cornell University)|2010. 02. 01.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 UVCS/SOHO 관측자료와 이론적 모델을 활용하여 태양활동주기 동안 코로나 가열 및 태양풍 가속을 조사한다. 2007–2009년 태양활동 최소기 동안 자기장 강도가 감소하여 1 AU에서 태양풍 밀도가 20% 감소하고 온도가 10–14% 감소한 것으로 나타났으며, 자유 매개변수 없이 알프레드 파동 및 MHD 난류 메커니즘을 사용한 모델이 이러한 변화를 성공적으로 예측하였다.

ABSTRACT

This paper reviews our growing understanding of the physics behind coronal heating (in open-field regions) and the acceleration of the solar wind. Many new insights have come from the last solar cycle's worth of observations and theoretical work. Measurements of the plasma properties in the extended corona, where the primary solar wind acceleration occurs, have been key to discriminating between competing theories. We describe how UVCS/SOHO measurements of coronal holes and streamers over the last 14 years have provided clues about the detailed kinetic processes that energize both fast and slow wind regions. We also present a brief survey of current ideas involving the coronal source regions of fast and slow wind streams, and how these change over the solar cycle. These source regions are discussed in the context of recent theoretical models (based on Alfven waves and MHD turbulence) that have begun to successfully predict both the heating and acceleration in fast and slow wind regions with essentially no free parameters. Some new results regarding these models - including a quantitative prediction of the lower density and temperature at 1 AU seen during the present solar minimum in comparison to the prior minimum - are also shown.

연구 동기 및 목표

• 열린 자기장 영역에서 코로나 가열 및 태양풍 가속을 이끄는 물리적 메커니즘을 이해하기 위해.
• UVCS/SOHO로부터 확장된 코로나 측정자료를 활용하여 이론 모델과 현장 관측 간의 괴리를 해결하기 위해.
• 1996–1997년과 2007–2009년 태양활동 최소기 조건을 비교하여 태양풍 성질에 대한 모델 예측을 시험하기 위해.
• 자기장 파동과 MHD 난류가 자유 매개변수를 최소화하면서 태양풍의 가열 및 가속에 어떤 역할을 하는지 평가하기 위해.
• 코로나홀과 스트리머에서 다양한 이종 이온의 플라즈마 매개변수(온도, 밀도, 속도)에 대한 관측 제약 조건을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 1.5–10 R☉ 범위의 확장된 코로나에서 플라즈마의 진화를 추적하기 위해 코로나홀과 스트리머에 대한 14년에 걸친 UVCS/SOHO 원격 감지 측정자료를 활용하였다.
• 파동 난류 소산(WTD) 및 공진 선형 자극(RLO) 기반의 이론 모델을 적용하여 태양풍의 가열 및 가속을 시뮬레이션하였다.
• 현장 Ulysses 데이터와 모델 출력을 융합하여 태양활동 최소기 동안의 풍속, 밀도, 온도 변화 예측을 검증하였다.
• 코로나 가열 과정의 경계 조건을 제약하기 위해 하부 태양대기의 반경험적 및 이론적 모델을 사용하였다.
• 다중종 이온의 온도 및 밀도 측정자료(H I Lyα, O VI)를 통합하여 전자 및 이온 온도의 분리 현상을 평가하였다.
• 관측 및 모델링된 반경 방향 온도 및 밀도 프로파일을 비교하여 태양활동 최소기 간의 플라즈마 매개변수 변화를 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1996–1997년과 2007–2009년 태양활동 최소기 동안 코로나 가열 및 태양풍 가속 메커니즘은 어떻게 다를까?
• RQ2 자기장 파동 및 MHD 난류 모델은 자유 매개변수 없이 관측된 태양풍 밀도 및 온도 변화를 어느 정도 정확하게 예측할 수 있을까?
• RQ3 코로나홀 형태와 자기장 강도는 확장된 코로나 및 태양풍 성질을 어떻게 형성하는가?
• RQ4 스트리머 벨트의 위도 범위 변화는 태양풍의 기원 영역과 플라즈마 분출에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 충돌이 없는 코로나 플라즈마에서 경쟁하는 가열 메커니즘을 구분하기 위해 어떤 관측 제약 조건이 필요한가?

주요 결과

• 2007–2009년 태양활동 최소기 동안 극지역 코로나홀의 면적은 1996–1997년 대비 15% 작고, 평균 광구 자기장 강도는 40% 약해졌다.
• 약한 코로나 자기장에도 불구하고 1 AU에서 태양풍 속도는 Ulysses 자료에 따르면 –3% 변화했고 모델 출력에선 +1% 변화하여 안정된 가속 메커니즘이 있음을 시사한다.
• 관측에선 태양풍 밀도가 1996–1997년에서 2007–2009년으로 이동하면서 17% 감소했고, 모델에선 22% 감소했으며, 온도는 관측에선 14% 감소하고 모델에선 8% 감소했다.
• 가스 압력과 동적 압력은 관측 및 모델 모두에서 20–30% 감소하여 가열 감소와 낮은 플라즈마 공급과 일관성을 보였다.
• 이론적 모델은 2007–2009년 최소기 동안 저고도 코로나에서 전자 온도가 낮아지고 약간 감소한 밀도가 예측되었으며, 이는 초도 UVCS 스펙트럼 선 경향과 일치하였다.
• UVCS 자료는 2007–2009년에 H I Lyα 강도가 높고 O VI 강도가 낮아졌음을 시사하며, 이는 전자 온도 및 밀도 감소와 일치하지만, 확정을 위해 전체 스펙트럼 모델링이 필요하다.