[논문 리뷰] Magnetic Twist and Writhe of Active Regions: On the Origin of Deformed Flux Tubes

M. C. López Fuentes, P. Démoulin외 3명|Digital Access to Libraries|2014. 11. 20.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 44인용 수 59

한 줄 요약

이 연구는 장기적인 자기극의 회전을 보이는 22개의 이중극 활성역(RTARs)에서 비틀림되고 변형된 자기력선 관의 기원을 조사한다. 관측된 기울기 각도의 변화와 자기장 측정을 통해, 비틀림 불안정성 또는 코리olis 힘이 변형을 설명할 수 있는지 테스트하였으며, 비틀림 불안정성과 일치하는 경우는 35%뿐이고 코리olis 효과와 일치하는 경우는 41%에 그쳐, 대류권에서의 대규모 소용돌이 흐름이 주요 메커니즘일 가능성이 높다고 결론내린다.

ABSTRACT

We study the long term evolution of a set of 22 bipolar active regions (ARs) in which the main photospheric polarities are seen to rotate one around the other during several solar rotations. We first show that differential rotation is not at the origin of this large change in the tilt angle. A possible origin of this distortion is the nonlinear development of a kink-instability at the base of the convective zone; this would imply the formation of a non-planar flux tube which, while emerging across the photosphere, would show a rotation of its photospheric polarities as observed. A characteristic of the flux tubes deformed by this mechanism is that their magnetic twist and writhe should have the same sign. From the observed evolution of the tilt of the bipoles, we derive the sign of the writhe of the flux tube forming each AR; while we compute the sign of the twist from transverse field measurements. Comparing the handedness of the magnetic twist and writhe, we find that the presence of kink-unstable flux tubes is coherent with no more than 35\% of the 20 cases for which the sign of the twist can be unambiguously determined. Since at most only a fraction of the tilt evolution can be explained by this process, we discuss the role that other mechanisms may play in the inferred deformation. We find that 36\% of the 22 cases may result from the action of the Coriolis force as the flux tube travels through the convection zone. Furthermore, because several bipoles overpass in their rotation the mean toroidal (East-West) direction or rotate away from it, we propose that a possible explanation for the deformation of all these flux tubes may lie in the interaction with large-scale vortical motions of the plasma in the convection zone, including also photospheric or shallow sub-photospheric large scale flows.

연구 동기 및 목표

• 자기극이 여러 태양 회전 기간 동안 서로에 대해 장기적으로 회전하는 이중극 활성역(RTARs)에서의 장기적 회전 진화 기원을 규명하는 것.
• 대류권 기저부에서의 비틀림 불안정성이 관측된 힘선의 변형을 설명할 수 있는지, 비틀림과 낙관의 부호를 비교하여 검증하는 것.
• 코리olis 힘이 새로운 힘선의 기울기 변화를 형성하는 데 기여하는지 평가하며, 특히 조이의 법칙과 적도 쪽 이동 현상과의 관련성을 고려하는 것.
• 대류권 또는 광합성층에서의 대규모 소용돌이 또는 난류 운동이 힘선 변형의 대체 메커니즘으로 기여하는지 평가하는 것.
• 비틀림 불안정성 또는 코리olis 힘과 같은 메커니즘이 통계적으로 유의미한 부분의 RTARs에서 관측된 회전 행동을 설명할 수 있는지 규명하는 것.

제안 방법

• 장기적인 변화를 추적하기 위해 22개의 이중극 활성역(RTARs)을 태양 회전 주기와 NOAA sunspot 수치, 태양 디스크 재등장 현상을 활용하여 기울기 각도 변화를 다중 태양 회전 동안 모니터링함.
• 광합성층에서 주요 극성의 회전 방향을 기반으로 낙관의 부호를 유도함. 이때 시계방향/반시계방향 회전은 각각 음성/양성 낙관으로 가정함.
• 광합성층에서의 횡방향 자기장 측정을 통해 자기비틀림의 부호를 계산함. 벡터 자기계측기 데이터를 이용해 자기성분을 유추함.
• 비틀림과 낙관의 부호를 비교하여 비틀림 불안정성 가설을 시험함. 이 가설은 비틀림 불안정한 관에서 비틀림과 낙관의 부호가 일치함을 예측함.
• 코리olis 힘 메커니즘을 평가하기 위해 관측된 회전 경향이 대류권 내 천체의 자전에 의해 예상되는 휨 방향과 일치하는지 분석함.
• 비틀림 불안정성 또는 코리olis 힘으로 설명되지 않는 경우, 대류권 또는 광합성층 내 대규모 소용돌이 또는 난류 흐름이 변형을 일으킬 수 있음을 제안함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중극 활성역의 기울기 각도에서 관측된 회전 변화는 자기력선의 비틀림 불안정성에서 기인하는가?
• RQ2 코리olis 힘이 새로운 힘선에서 관측된 자기극의 회전을 설명하는 데 충분한가?
• RQ3 22개의 RTAR 중 비틀림 불안정성 또는 코리olis 힘으로 설명 가능한 비율은 얼마이며, 나머지 부분을 설명할 수 있는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 관측된 AR에서의 자기비틀림과 낙관의 부호는 비틀림 불안정한 힘선에 대한 이론적 예측과 일치하는가?
• RQ5 대류권 또는 광합성층 내 대규모 소용돌이 또는 난류 흐름이 RTAR의 힘선 변형에 주요 메커니즘으로 작용할 수 있는가?

주요 결과

• 대칭적 회전은 기울기 각도 변화를 설명할 수 없으며, 이는 큰 규모의 비틀림이 극성의 회전을 주도하는 주요 원인이 아님을 시사함.
• 명확한 비틀림 부호 결정이 가능한 20개의 RTAR 중 35%만이 비틀림과 낙관의 부호가 일치함을 보여, 비틀림 불안정성이 대부분의 경우 주요 메커니즘이 아님을 시사함.
• 약 41% (22개 중 9개)의 RTAR에서 코리olis 힘과 일치하는 회전 행동이 관측되어, 이 힘이 중요한 역할를 하되 지배적인 역할는 아님을 시사함.
• 유사한 비율(22개 중 9개)의 RTAR는 비틀림 불안정성 또는 코리olis 힘으로 설명되지 않아, 대체 메커니즘이 필요함을 시사함.
• 저자들은 비틀림 불안정성 또는 코리olis 힘으로 설명되지 않는 경우, 대류권, 광합성층 또는 얕은 표면 아래의 대규모 소용돌이 또는 난류 흐름이 힘선 변형의 원인일 수 있음을 제안함.
• 이 연구는 비틀림 불안정성, 코리olis 힘, 소용돌이 운동 중 어느 하나의 메커니즘도 관측된 행동을 완전히 설명할 수 없으며, 여러 메커니즘이 동시에 작용할 수 있으며, 소용돌이 운동이 모든 RTAR에 영향을 미칠 수 있음을 결론내림.