[논문 리뷰] Flute and kink instabilities in a dynamically twisted flux tube with anisotropic plasma viscosity

James Quinn, Radostin D. Simitev|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 20.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 34인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 경계에서 동적으로 비틀린 자기유체역학적 플럭스 튜브에서 플루트 및 킴프 불안정성의 비선형 역학을 조사하며, 이는 비등방성 플라즈마 점성도 플루트 불안정성을 강하게 증폭시킴을 밝혀낸다. 플루트 불안정성은 킴프 불안정성의 성장을 지연시키지만 이를 방지하지는 않으며, 특히 강한 자기장에 의해 유도된 점성의 비등방성 조건에서 그러한 경향이 두드러진다. 이는 에너지가 혼합과 전류판 형성에 의해 방출되는 방식으로 코로나 가열에 기여할 가능성이 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Magnetic flux tubes such as those in the solar corona are subject to a number of instabilities. Important among them is the kink instability which plays a central part in the nanoflare theory of coronal heating, and for this reason in numerical simulations it is usually induced by tightly-controlled perturbations and studied in isolation. In contrast, we find that when disturbances are introduced in our magnetohydrodynamic flux tube simulations by dynamic twisting of the flow at the boundaries fluting modes of instability are readily excited. We also find that the flute instability, which has been theorised but rarely observed in the coronal context, is strongly enhanced when plasma viscosity is assumed anisotropic. We proceed to investigate the co-existence and competition between flute and kink instabilities for a range of values of the resistivity and of the parameters of the anisotropic and isotropic models of viscosity. We conclude that while the flute instability cannot prevent the kink from ultimately dominating, it can significantly delay its development especially at strong viscous anisotropy induced by intense magnetic fields.

연구 동기 및 목표

• 동적으로 비틀린 자기 플럭스 튜브에서 플루트 및 킴프 불안정성 간의 공존과 경쟁을 조사하기 위해.
• 비등방성 플라즈마 점성이 이러한 불안정성의 성장률과 비선형 발전에 미치는 영향을 검토하기 위해.
• 플루트 불안정성이 코로나 환경에서 킴프 불안정성의 진화에 상당한 영향을 미칠 수 있는지 규명하기 위해.
• 동적 비틀기 동안 불안정성 역학을 형성하는 데에 저항도 및 점성 모델의 역할을 탐색하기 위해.
• 플루트 불안정성이 특히 나노플레어 생성과 관련하여 코로나 가열 메커니즘에 어떤 잠재적 영향을 미칠 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 플럭스 튜브를 비틀기 위해 비틀림 운동을 적용하는 동적 경계 조건을 적용한 자기유체역학(MHD) 방정식을 사용한 수치 시뮬레이션.
• 등방성 및 비등방성 점성 모델의 구현으로, 후자는 자기장 의존성을 고려한 현상학적 모델에 기반한다.
• 불안정성 발전에 미치는 저항성 소산의 영향을 분석하기 위해 저항도 값 η = 10⁻³ 및 η = 10⁻⁴를 사용한다.
• 초기 조건은 직선 자기 플럭스 튜브에서 시작되며, 불안정성은 동적 비틀기 중 수치 노이즈에서 자연스럽게 발생한다.
• 플루트 및 킴프 모드의 발생과 성장을 식별하기 위해 압력, 자기장 및 속도 편미분을 분석한다.
• 다양한 점성 및 저항도 조건에서 불안정성 성장률과 비선형 진화를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 흐트림 없이도 자기 플럭스 튜브의 동적 비틀기 과정에서 플루트 불안정성이 자발적으로 유도될 수 있는가?
• RQ2 비등방성 플라즈마 점성이 비틀린 플럭스 튜브에서 플루트 불안정성의 성장률과 비선형 발전에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 코로나 유사 환경에서 플루트 불안정성은 킴프 불안정성의 발달을 어느 정도 지연하거나 억제하는가?
• RQ4 코로나 가열 맥락에서 플루트 불안정성이 에너지 방출과 플라즈마 혼합에 기여하는 비율은 어느 정도인가?
• RQ5 비등방성 점성이 존재하는 조건에서 저항도 수준의 변화가 플루트 및 킴프 불안정성 간의 경쟁에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 플루트 불안정성은 외부 흐트림 없이도 오믹 히팅에 의해 유도된 반경 방향 압력 기울기로 인해 동적 비틀기 과정에서 자발적으로 유도된다.
• 비등방성 플라즈마 점성이 특히 강한 자기장 조건에서 플루트 불안정성의 성장률을 크게 증가시킨다.
• 플루트 불안정성은 킴프 불안정성의 발생과 성장을 지연시키지만, 결국 킴프 불안정성이 다이내믹스를 지배하는 것을 방지하지는 않는다.
• 플루트 불안정성이 비선형적으로 성장할 경우, 플라즈마 혼합을 유도하고 소규모 전류판을 생성하며 자기 에너지를 방출함으로써 킴프의 에너지 방출 속도를 느리게 한다.
• 저저항도 조건(η = 10⁻⁴)에서는 킴프 불안정성이 빠르게 지배적이 되며, 플루트 불안정성의 영향은 미미하여 관찰 가능한 플루트 효과에 대한 임계값 효과가 있음을 시사한다.
• 키프 불안정성 동안 총으로 방출되는 운동 에너지는 플루트의 존재에 영향을 받지 않지만, 플루트에 의해 유도된 지연로 인해 에너지 방출의 시간 스케일이 연장된다.