[논문 리뷰] Sunspot rotation. I. A consequence of flux emergence

Zoe Sturrock, A. W. Hood외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 10.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 27인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 3차원 저항성 MHD 시뮬레이션을 통해 태양 spots의 회전이 비틀린 자기장 플럭스 튜브의 상승 과정에서 기인하며, 자기장 장력력이 균형 잡히지 않은 토크를 생성하여 광구 발판에서의 회전 운동을 일으킨다는 것을 보여준다. 시뮬레이션 결과, 자기장 선은 최대 353°까지 회전하며, 하부 광구 영역의 비틀림이 자기장 헬리시티 플럭스를 통해 대기로 이행됨을 확인하여, 플럭스 상승이 관측된 태양 spots의 회전과 코로나 에너지 축적을 직접적으로 설명한다.

ABSTRACT

Context. Solar eruptions and high flare activity often accompany the rapid rotation of sunspots. The study of sunspot rotation and the mechanisms driving this motion are therefore key to our understanding of how the solar atmosphere attains the conditions necessary for large energy release. Aims. We aim to demonstrate and investigate the rotation of sunspots in a 3D numerical experiment of the emergence of a magnetic flux tube as it rises through the solar interior and emerges into the atmosphere. Furthermore, we seek to show that the sub-photospheric twist stored in the interior is injected into the solar atmosphere by means of a definitive rotation of the sunspots. Methods. A numerical experiment is performed to solve the 3D resistive magnetohydrodynamic (MHD) equations using a Lagrangian-Remap code. We track the emergence of a toroidal flux tube as it rises through the solar interior and emerges into the atmosphere investigating various quantities related to both the magnetic field and plasma. Results. Through detailed analysis of the numerical experiment, we find clear evidence that the photospheric footprints or sunspots of the flux tube undergo a rotation. Significant vertical vortical motions are found to develop within the two polarity sources after the field emerges. These rotational motions are found to leave the interior portion of the field untwisted and twist up the atmospheric portion of the field. This is shown by our analysis of the relative magnetic helicity as a significant portion of the interior helicity is transported to the atmosphere. In addition, there is a substantial transport of magnetic energy to the atmosphere. Rotation angles are also calculated by tracing selected fieldlines; the fieldlines threading through the sunspot are found to rotate through angles of up to 353 degrees over the course of the experiment.

연구 동기 및 목표

• 관측된 태양 spots의 회전을 뒷받기는 물리적 메커니즘, 특히 자기 플럭스 상승과의 연관성을 조사하기 위해.
• 태양 spots의 회전이 실제 동역학적 효과인지 관측의 오해로 인한 가짜 현상인지 판단하기 위해.
• 플럭스 튜브 상승 기간 동안 하부 광구 내부에서 태양 대기로 자기 헬리시티와 에너지가 어떻게 이행되는지 정량화하기 위해.
• 자기장 장력력이 태양 spots의 광구 발판에서 회전 운동을 일으키는 데 기여하는 비균형 토크를 어떻게 생성하는지 조사하기 위해.
• 상승 과정 중에 비틀림이 내부에서 코로나로 전달되는 토르oidal 알프레드 웨이브의 역할을 검증하기 위해.

제안 방법

• 플럭스 튜브 상승을 시뮬레이션하기 위해 라그랑주-리맵 수치 코드를 사용하여 3차원 저항성 자기유체역학(MHD) 모델을 해석한다.
• 태양 내부를 통해 상승하는 토로이드형 자기장 플럭스 튜브의 상승과 대기로의 상승 과정을 추적한다.
• 내부에서 대기로의 비틀림 이행을 정량화하기 위해 자기 헬리시티와 에너지 플럭스를 계산한다.
• 직접적으로 각도를 계산하기 위해 도메인의 기저에서 광구를 통과하는 자기장 선을 추적한다.
• 내부에서의 풀림과 대기에서의 비틀림을 평가하기 위해 수직 전류 밀도(j_z)와 소용돌이 운동을 분석한다.
• 자기장 장력력이 비균형 토크를 생성하여 회전 운동을 일으키는지 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 태양 spots의 회전을 일으키는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 이 회전은 자기력에 의해 유도되는 실제 동역학적 효과인가, 관측의 오해로 인한 가짜 현상인가?
• RQ3 하부 광구 플럭스 튜브에서 유래한 자기 헬리시티의 어느 정도가 태양 대기로 이행되는가?
• RQ4 자기장 장력력은 광구 발판에서의 회전 운동을 어떻게 유도하는가?
• RQ5 시간이 지남에 따라 태양 spots를 관통하는 자기장 선의 정량적 회전 각도는 얼마인가?

주요 결과

• 태양 spots의 회전은 균형 잡히지 않은 토크에 의해 유도되며, 이는 자기장 장력력에 의해 발생한다. 관측 오류로 인한 가짜 현상이 아니다.
• 태양 spots를 관통하는 자기장 선은 시뮬레이션 기간 동안 최대 353°까지 회전하며, 관측된 각도와 일치한다.
• 내부 자기 헬리시티의 상당 부분—3.6×10¹⁹ Mx²—대기로 이행되어 상승 과정 중 헬리시티 플럭스가 발생함을 확인한다.
• 내부 자기 헬리시티는 감소하고 대기 자기 헬리시티는 증가함으로써, 내부에서는 풀림이 일어나고 대기에서는 비틀림이 발생함을 나타낸다.
• 내부에서 수직 전류 밀도(j_z)가 감소하여 하부 광구 자기장의 풀림이 지지된다.
• 회전 운동은 태양 spots의 두 극성 소스 중심에 집중되어 있으며, 상승 이후 광구에서 소용돌이 운동이 발생한다.