[논문 리뷰] Momentum Balance in Eruptive Solar Flares: The Vertical Lorentz force Acting on the Solar Atmosphere and the Solar Interior

G. H. Fisher|arXiv (Cornell University)|2010. 06. 27.

Solar and Space Plasma Dynamics인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 관측된 벡터 자기장도 변화를 이용하여 폭발성 플레어 동안 태양 대기에서 수직 로렌츠 힘의 변화를 계산하며, 이로 인해 광화층과 태양 내부에 등가이고 반대 방향의 하향력이 작용함을 보여준다. 이는 수평 성분을 포함하여 이전 모델을 일반화한 것으로, 태양에서 탈출하는 플라즈마 질량의 상한선을 유도하고, 힘의 변동을 헬리오세미크 응답과 플레어 분출물의 운동량과 연결한다.

ABSTRACT

We compute the change in the Lorentz force integrated over the outer solar atmosphere implied by observed changes in vector magnetograms that occur during large, eruptive solar flares. This force perturbation should be balanced by an equal and opposite force perturbation acting on the solar photosphere and solar interior. The resulting expression for the estimated force change in the solar interior generalizes the earlier expression presented by Hudson, Fisher and Welsch (CS-383, ASP, 221, 2008), providing horizontal as well as vertical force components, and provides a more accurate result for the vertical component of the perturbed force. We show that magnetic eruptions should result in the magnetic field at the photosphere becoming more horizontal, and hence should result in a downward (towards the solar interior) force change acting on the photosphere and solar interior, as recently argued from an analysis of magnetogram data by Wang and Liu (Astrophys. J. Lett. 716, L195, 2010). We suggest the existence of an observational relationship between the force change computed from changes in the vector magnetograms, the outward momentum carried by the ejecta from the flare, and the properties of the helioseismic disturbance driven by the downward force change. We use the impulse driven by the Lorentz-force change in the outer solar atmosphere to derive an upper limit to the mass of erupting plasma that can escape from the Sun. Finally, we compare the expected Lorentz-force change at the photosphere with simple estimates from flare-driven gasdynamic disturbances and from an estimate of the perturbed pressure from radiative backwarming of the photosphere in flaring conditions.

연구 동기 및 목표

• 관측된 벡터 자기장도 변화로부터 외부 태양 대기에서의 로렌츠 힘 변화를 계산하여 폭발성 태양 플레어에서 운동량 균형을 정량화한다.
• 운동량 보존을 확보하기 위해 광화층과 태양 내부에 작용하는 해당하는 힘 변동을 추론한다.
• 이전 모델을 개선하기 위해 수평 및 수직 힘 성분을 모두 포함하여 일반화함으로써 수직 힘 추정치의 정확도를 향상시킨다.
• 힘의 변화, 플레어 분출물의 운동량, 헬리오세미크 교란 간 잠재적 관측적 연결 고리를 설정한다.
• 로렌츠 힘 변화에서 발생하는 임펄스를 기반으로 태양에서 탈출할 수 있는 플라즈마 질량의 상한선을 유도한다.

제안 방법

• 시간 해상도가 높은 벡터 자기장도를 사용하여 외부 태양 대기 전체에 걸쳐 로렌츠 힘을 통합함으로써 큰 플레어 동안의 힘 변동을 계산한다.
• 운동량 보존 원리를 적용하여 광화층과 태양 내부에 작용하는 등가이고 반대 방향의 힘 변동을 추론한다.
• Hudson 등 (2008)의 이전 식을 일반화하여 수평 및 수직 힘 성분을 모두 포함함으로써 정확도를 향상시킨다.
• 대기 중 로렌츠 힘 변화에서 발생하는 임펄스를 사용하여 탈출하는 폭발성 플라즈마의 질량에 대한 상한을 추정한다.
• 계산된 힘 변동을 기체역학적 교란과 복사 뒷배향 효과에 의한 광화층 압력 변화에 대한 단순 추정치와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 벡터 자기장도 변화로부터 유도된 폭발성 플레어 동안 태양 대기에서의 수직 로렌츠 힘 변화는 어떻게 되는가?
• RQ2 광화층과 태양 내부에 작용하는 해당하는 힘 변동은 무엇이며, 이는 어떻게 대기 중 힘 변화와 균형을 이룹니까?
• RQ3 수평 및 수직 힘 성분은 플레어에서의 총 운동량 균형에 어떻게 기여합니까?
• RQ4 계산된 힘 변화는 헬리오세미크 교란과 플레어 분출물의 운동량과 연결될 수 있습니까?
• RQ5 로렌츠 힘 변화에서 발생하는 임펄스는 태양에서 탈출할 수 있는 플라즈마 질량에 대해 어떤 상한선을 제공합니까?

주요 결과

• 폭발성 사건 동안 광화층의 자기장이 더 수평적으로 변하면서 광화층과 태양 내부에 하향력이 작용한다.
• 일반화된 힘 모델은 이전 수식보다 수직 힘 성분에 대해 더 정확한 추정치를 제공한다.
• 대기 중에서 계산된 로렌츠 힘 변화는 태양 내부에 하향력 변동을 유도하며, 이는 감지 가능한 헬리오세미크 파동을 유도할 수 있다.
• 대기 중 로렌츠 힘 변화에서 발생하는 임펄스는 태양에서 탈출할 수 있는 폭발성 플라즈마 질량의 상한선을 제공한다.
• 자기장도 변화에서 추정된 힘 변동은 기체역학적 교란과 복사 뒷배향 효과에 의한 단순 추정치와 크기가 유사하다.