[논문 리뷰] Magnetohydrodynamics dynamical relaxation of coronal magnetic fields. I. Parallel untwisted magnetic fields in 2D

Jorge Fuentes-Fernández, C. E. Parnell외 1명|St Andrews Research Repository (St Andrews Research Repository)|2011. 10. 24.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 23인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 유한한 베타를 가진 2차원 코로나 플라즈마에서 비저항성 자기유체역학(MHD) 리스크레일링을 조사하여, 플라즈마 압력 기울기가 전통적인 힘 자유 모델에 비해 평형 상태를 크게 변화시킴을 보여준다. 점성으로 감쇠되는 자기음파를 통해 시스템은 자기력과 플라즈마 힘이 균형을 이루는 비힘 자유 자기유체정적 평형 상태로 수렴하며, 선형 영역을 크게 초월한 영역에서도 분석 예측과 수치 결과가 일치한다.

ABSTRACT

Context. For the last thirty years, most of the studies on the relaxation of stressed magnetic fields in the solar environment have onlyconsidered the Lorentz force, neglecting plasma contributions, and therefore, limiting every equilibrium to that of a force-free field. Aims. Here we begin a study of the non-resistive evolution of finite beta plasmas and their relaxation to magnetohydrostatic states, where magnetic forces are balanced by plasma-pressure gradients, by using a simple 2D scenario involving a hydromagnetic disturbance to a uniform magnetic field. The final equilibrium state is predicted as a function of the initial disturbances, with aims to demonstrate what happens to the plasma during the relaxation process and to see what effects it has on the final equilibrium state. Methods. A set of numerical experiments are run using a full MHD code, with the relaxation driven by magnetoacoustic waves damped by viscous effects. The numerical results are compared with analytical calculations made within the linear regime, in which the whole process must remain adiabatic. Particular attention is paid to the thermodynamic behaviour of the plasma during the relaxation. Results. The analytical predictions for the final non force-free equilibrium depend only on the initial perturbations and the total pressure of the system. It is found that these predictions hold surprisingly well even for amplitudes of the perturbation far outside the linear regime. Conclusions. Including the effects of a finite plasma beta in relaxation experiments leads to significant differences from the force-free case.

연구 동기 및 목표

• 유한한 플라즈마 베타의 영향이 코로나 자기장의 MHD 리스크레일링에 미치는 역할을 조사하여, 표준 힘 자유 근사에서 벗어나는 것을 목표로 한다.
• 자기력이 플라즈마 압력과 자기장 장력에 의해 균형을 이루는 동안 플라즈마 압력 기울기가 최종 평형 상태에 미치는 영향을 규명하는 것.
• 점성 감쇠가 있는 MHD 시스템에서 비선형 리스크레일링 과정에 대해 선형 분석 예측의 타당성을 평가하는 것.
• 특히 플라즈마에서 자기장으로의 에너지 이행을 포함한 리스크레일링 동안 플라즈마의 열역학적 진화를 조사하는 것.
• 최종 평형 상태가 점성 또는 초깃동요의 성격(밀도, 온도, 내부 에너지 변화)과는 무관하게 초깃동요와 총 압력에만 의존함을 입증하는 것.

제안 방법

• 점성 소산을 포함한 전체 2차원 MHD 코드를 사용한 수치 시뮬레이션을 통해 도입된 자기장 및 플라즈마 상태의 변동을 리스크레일링하는 방법.
• 초깃동요는 플라즈마 압력, 밀도 또는 내부 에너지의 局소적 변화로 도입되며, 자기장이 고착된 조건을 유지한다.
• 자기음파(빠른 및 느린)의 점성 감쇠가 유일한 소산 메커니즘이며, 이는 최종 MHD 평형 상태로의 수렴을 가능하게 한다.
• 등온 조건을 가정하고, 자기장선을 沿해 및 수직으로 파동이 전파되는 것을 기반으로 선형 분석 해를 유도하여 최종 압력, 밀도 및 자기장 분포를 예측한다.
• 총 압력 보존 및 등온 진화를 기반으로 한 분석 예측을 다양한 초깃동요 진폭과 플라즈마 베타 값에서 수치 결과와 비교한다.
• 비선형 영역에서의 거동을 시험하고 등온 예측에서의 편차, 특히 플라즈마 밀도에서의 편차를 정량화하기 위해 2차원 가우시안 압력 동요를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한한 플라즈마 베타를 고려할 경우, 힘 자유 근사에 비해 리스크레일링된 코로나 자기장의 최종 평형 상태는 어떻게 달라지나?
• RQ2 MHD 리스크레일링의 비선형 영역에서 선형 등온 진화 기반의 분석 예측은 어느 정도 유효한가?
• RQ3 점성 소산은 최종 평형 상태에 어떤 역할을 하는가? 그리고 최종 상태에 영향을 주는가, 아니면 오직 리스크레일링 시간 스케일에만 영향을 주는가?
• RQ4 비선형 영역에서 리스크레일링 과정 동안 플라즈마와 자기장 사이의 에너지 이행은 어떻게 이루어지는가?
• RQ5 최종 자기유체정적 평형 상태는 초깃동요와 총 압력에 의해 유일하게 결정되며, 초깃동요의 성격(밀도, 온도, 내부 에너지 변화)과는 무관한가?

주요 결과

• 최종 평형 상태는 플라즈마 압력 기울기가 자기력 레온츠 힘을 상쇄하는 비힘 자유 자기유체정적 상태이며, 잔류 자기장 장력은 존재하지 않는다.
• 등온 진화 및 총 압력 보존 기반의 분석 예측은 큰 초깃동요가 있는 경우에도 선형 영역을 크게 초월한 영역에서 수치 결과와 놀랄 만큼 잘 일치한다.
• 최종 플라즈마 밀도 및 압력 분포는 초깃동요와 총 압력에만 의존하며, 초깃동요의 성격(밀도, 온도, 내부 에너지 변화)과는 무관하다.
• 점성은 오직 리스크레일링 시간 스케일에만 영향을 주며, 최종 평형 상태에는 영향을 주지 않으며, 점성 감쇠가 파동을 소멸시킬 수 있을 정도여야 한다.
• 비이상 효과는 초깃동요에 비해 느리게 증가하므로, 강한 비선형 영역에서도 선형 예측이 유효하다.
• 리스크레일링 과정 동안 플라즈마에서 자기장으로의 에너지 이행이 상당히 발생하며, 이는 특히 자기장 영점 근처에서 코로나 환경에서의 강한 열역학적 결합을 시사한다.