[논문 리뷰] On the fine structure of the sunspot penumbrae. II. The nature of the Evershed flow

J. M. Borrero, A. Lagg외 2명|ArXiv.org|2005. 03. 30.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 48인용 수 50

한 줄 요약

이 연구는 수정된 무결합 플럭스 튜브 모델을 사용하여 태양spots의 펜듈럼 영역의 적외선 스펙트로폴라리메트릭 데이터를 분석하여, 기울어진 플럭스 튜브 내에서의 반경 방향 압력 기울기로 인한 시폰 유량이 에버셰드 유량을 설명함을 밝혀냈다. 주요 발견은 외부로 향하는 흐름 속도가 최대 5 km s⁻¹까지 증가하고, 반경 방향 압력 감소가 발생하며, 큰 반경 거리에서 충격 형성이 관측된다는 점으로, 이는 시폰 유량 메커니즘이 펜듈럼 유출의 원동력임을 강력히 지지한다.

ABSTRACT

We investigate the fine structure of the sunspot penumbra by means of a model that allows for a flux tube in horizontal pressure balance with the magnetic background atmosphere in which it is embedded. We apply this model to spectropolarimetric observations of two neutral iron lines at 1.56 $μ$m and invert several radial cuts in the penumbra of the same sunspot at two different heliocentric angles. In the inner part of the penumbra we find hot flux tubes that are somewhat inclined to the horizontal. They become gradually more horizontal and cooler with increasing radial distance. This is accompanied by an increase in the velocity of the plasma and a decrease of the gas pressure difference between flux tube and the background component. At large radial distances the flow speed exceeds the critical speed and evidence is found for the formation of a shock front. These results are in good agreement with simulations of the penumbral fine structure and provide strong support for the siphon flow as the physical mechanism driving the Evershed flow.

연구 동기 및 목표

• 태양spots 펜듈럼 영역에서 외향 플라즈마 유량을 이끄는 물리적 메커니즘을 규명하여 오랫동안 남아있던 에버셰드 유량 방향의 수수께끼를 해결하기 위해.
• 플럭스 튜브와 주변 환경 간의 압력 균형을 고려한 모델에서 수직 및 수평 비균일성을 통합하여 이전 모델의 한계를 극복하기 위해.
• 자기장 기울기로 인한 기체 압력 차이에 의해 구동되는 시폰 유량 메커니즘이 관측된 유속과 프로파일을 설명할 수 있는지 테스트하기 위해.
• 스펙트로폴라리메트릭 역설계를 통해 플럭스 튜브의 반경 방향 진화, 즉 기울기, 온도, 속도, 압력 차이 등을 파악하기 위해.
• 이론 모델이 예측한 바와 같이 큰 반경 거리에서 충격 형성이 발생하여 에버셰드 유량이 둔화되는 데서 충격 형성의 역할을 평가하기 위해.

제안 방법

• 모든 고도에서 수평 압력 균형을 유지하는 자기장 지배 대기 중에 임bed된 플럭스 튜브를 고려한 수정된 무결합 플럭스 튜브 모델이 적용되었다.
• 1.56 μm에서의 두 중성 철 선의 스코프스 프로파일이 다중 구성 요소 역설계 기법을 사용하여 수직 및 수평 비균일성을 고려해 역설계되었다.
• 플럭스 튜브와 주변 매질 간에 물리적 양의 급격한 변화를 반영하기 위해 두 개의 구분된 대기 모델이 포함되었으며, 이는 비대칭 스코프스 V 프로파일을 재현하기 위함이었다.
• 원형 편광 프로파일의 면적 비대칭성(δA)을 고려하여 플럭스 튜브의 수직 범위와 충합율을 제약 조건으로 삼았다.
• 두 개의 태양지각 각도에서 펜듈럼을 관통하는 반경 방향 컷을 분석하여 유속, 온도, 압력 차이의 진화를 추적하였다.
• 모델은 플럭스 튜브와 주변 환경 간 총 압력 균형을 강제하여, 직접적으로 흐름을 이끄는 반경 방향 압력 기울기를 추론할 수 있도록 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기장 강도가 반경 방향으로 감소하는 데 비해 내향 유량이 예상되는 상황에서, 태양spots 펜듈럼 영역의 외향 에버셰드 유량을 이끄는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 플럭스 튜브의 온도, 속도, 기울기, 압력 차이는 펜듈럼 내에서 반경 방향으로 어떻게 진화하는가?
• RQ3 이론 모델이 예측한 바와 같이 큰 반경 거리에서 에버셰드 유량 내 충격 형성이 관측되는가?
• RQ4 압력 균형과 수직 비균일성을 고려한 플럭스 튜브 모델이 비대칭 스코프스 V 프로파일을 설명할 수 있는가?
• RQ5 플럭스 튜브 기하학과 충합율은 관측된 스펙트로폴라리메트릭 서명을 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 에버셰드 유량은 외부 펜듈럼에서 최대 5 km s⁻¹의 속도에 도달하며, 압력 감소에 따라 반경 방향으로 매끄럽게 증가한다.
• 플럭스 튜브와 주변 대기 간 기체 압력 차이의 반경 감소가 관측되어 시폰 유량이 주요 추진 메커니즘임을 강력히 뒷받침한다.
• 플럭스 튜브는 내부 펜듈럼에서 기울어져 있지만 반경 거리가 증가함에 따라 점점 더 수평이 되고 온도가 낮아진다.
• 큰 반경 거리에서 흐름 속도의 급격한 감소가 온도 상승과 등가 폭의 증가와 동시에 발생하여 충격 형성과 운동 에너지 소산 가능성을 시사한다.
• 모델은 스코프스 V 프로파일의 면적 비대칭성(δA)의 반경 경향을 성공적으로 재현하였으며, 특히 외부 펜듈럼에서 δA가 충분히 크기 때문에 플럭스 튜브의 하부 경계가 log τ₅ ≈ [−0.5, 0]에 위치함을 제약 조건으로 삼을 수 있었다.
• 결과는 펜듈럼 플럭스 튜브의 역학 시뮬레이션과 매우 유사하여 온도, 속도, 압력의 예측된 반경 방향 진화를 확인하였다.