[논문 리뷰] Numerical simulations of shear-induced consecutive coronal mass ejections

Talpeanu, D. -C., Chané, E.외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 16.

Solar and Space Plasma Dynamics인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 2.5D MHD 시뮬레이션을 사용하여 광합성층에서의 미세한 비틀림 운동 변화가 어떻게 다른 코로나 질량 방출(CME) 결과를 유도하는지 조사한다. 이는 도드라진 CME를 포함하여, 1%의 비틀림 속도 변화가 첫 번째 방출에는 영향을 주지 않지만, 암묵적, 실패, 또는 이중 CME를 유도할 수 있음을 보여주며, 미세한 경계 변화에 대한 극도로 민감한 코로나의 성질을 드러낸다.

ABSTRACT

Methods: Stealth CMEs represent a particular class of solar eruptions that are clearly distinguished in coronagraph observations, but they don't have a clear source signature. A particular type of stealth CMEs occurs in the trailing current sheet of a previous ejection, therefore, we used the 2.5D MHD package of the code MPI-AMRVAC to numerically simulate consecutive CMEs by imposing shearing motions onto the inner boundary. The initial magnetic configuration consists of a triple arcade structure embedded into a bimodal solar wind, and the sheared polarity inversion line is found in the southern loop system. The mesh was continuously adapted through a refinement method that applies to current carrying structures. We then compared the obtained eruptions with the observed directions of propagation of an initial multiple coronal mass ejection (MCME) event that occurred in September 2009. We further analysed the simulated ejections by tracking the centre of their flux ropes in latitude and their total speed. Radial Poynting flux computation was employed as well to follow the evolution of electromagnetic energy introduced into the system. Results: Changes within 1\% in the shearing speed result in three different scenarios for the second CME, although the preceding eruption seems insusceptible to such small variations. Depending on the applied shearing speed, we thus obtain a failed eruption, a stealth, or a CME driven by the imposed shear, as the second ejection. The dynamics of all eruptions are compared with the observed directions of propagation of an MCME event and a good correlation is achieved. The Poynting flux analysis reveals the temporal variation of the important steps of eruptions. For the first time, a stealth CME is simulated in the aftermath of a first eruption, through changes in the applied shearing speed.

연구 동기 및 목표

• 연속적인 코로나 질량 방출(CME)을 유도하는 비틀림 운동의 역할을 조사한다. 특히 암묵적 CME에 초점을 맞춘다.
• 저코로나에서의 소스 서명이 없을 때 지구 방향 CME를 예측하는 데 도전하는 문제를 다룬다.
• 저코로나 경계에서의 비틀림 속도 변화가 작은 변화가 어떻게 다른 방출 결과로 이어지는지 모델링한다.
• 앞서 진행된 모델링(GCS)을 사용하여 2009년 9월의 다중 CME 사건의 관측된 전파 방향을 재현한다.
• 전자기 에너지 입력을 반경 방향 Poynting 플럭스를 통해 분석하여 에너지 역학과 방출 진화 간의 연관성을 규명한다.

제안 방법

• MPI-AMRVAC 코드 내부의 2.5D MHD 패키지를 사용하여 광합성층 경계(저코로나)에 비틀림 운동을 도입한 코로나 역학을 시뮬레이션한다.
• 이중성 태양풍을 배경으로 삼은 삼중 아치 자기장 구조를 사용하며, 남부 고리 시스템 내에 비틀린 극성 역전선을 포함한다.
• 전류를 지닌 구조에 집중된 적응형 메쉬 정밀도를 적용하여, 균일한 전역 정밀도 없이도 CME 영역에서 고해상도를 유지한다.
• STEREO 관측 데이터로부터 CME 전파 방향을 재구성하기 위해 Graduated Cylindrical Shell(GCS) 기법을 사용한 프론트엔드 모델링을 수행한다.
• 모의와 관측된 방출 역학을 비교하기 위해 위도 및 총 속도에서의 플럭스 로프 중심을 추적한다.
• 내부 경계에서 반경 방향 Poynting 플럭스를 계산하여 전자기 에너지 입력을 정량화하고, 이를 방출 단계와 연관시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저코로나 경계에서의 비틀림 속도 변화가 미세할 경우, 암묵적 방출을 포함한 다양한 CME 결과를 유도할 수 있는가?
• RQ2 동일한 비틀림 입력이 암묵적, 실패, 또는 이중 CME를 유도할 때 코로나 반응은 어떻게 다를까?
• RQ3 GCS 모델링을 사용하여 2009년 MCME 사건의 관측된 방향과 모의 CME 전파 방향이 어느 정도 일치하는가?
• RQ4 반경 방향 Poynting 플럭스를 통한 전자기 에너지 입력은 어떤 역할을 하여 각기 다른 방출 시나리오를 구분하는 데 기여하는가?
• RQ5 이전 CME의 뒷부분 전류 시트에서 발생하는 암묵적 CME의 유도 원인이 비틀림 운동인지, 아니면 코로나 자기재구성인지 무엇인가?

주요 결과

• 37 km s⁻¹에서 1%의 변화가 발생한 비틀림 속도 변화는 동일한 초기 조건과 첫 번째 방출 역학에도 불구하고 두 번째 CME에 대해 세 가지 다른 결과를 유도했다: 암묵적, 실패, 또는 이중 방출.
• 암묵적 CME는 첫 번째 CME의 뒷부분 전류 시트에서 기원했으며, 사전 존재하는 폐쇄 자기장 구조가 아니라 비틀림 유도 자기재구성에 의해 유도되었다.
• 모의와 관측된 CME 전파 방향 간에 양호한 상관관계를 확보했으며, 이중 방출 사례에서 CME1과 CME2 모두에 대해 기울기 일치가 이루어졌다.
• 플럭스 로프 중심 추적 결과 모든 사례에서 일관된 휘어짐 패tern을 보였으며, 모의된 위도 및 속도 변화가 관측 결과와 일치했다.
• 반경 방향 Poynting 플럭스 프로파일은 암묵적 및 실패 방출의 경우 약 15시간까지 거의 동일했으며, 이는 에너지 입력만으로는 방출 결과를 구분할 수 없음을 시사한다.
• 이 연구는 동일한 에너지 입력이 질적으로 다른 방출 행동을 유도할 수 있음을 보여주며, 미세한 비틀림 운동 변화에 대한 코로나의 극도로 민감한 성질을 드러냈다.