[논문 리뷰] The role of asymmetries in coronal rain formation during thermal non-equilibrium cycles

Gabriel Pelouze, F. Auchère외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 19.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 89인용 수 20

한 줄 요약

이 연구는 태양 코로나 링크의 열적 비평형(TNE) 순환 중 일부는 코로나 레인을 다량으로 생성하지만 다른 일부는 그렇지 않은 이유를 조사하기 위해 9,000개의 1차원 유체역학 시뮬레이션을 사용한다. 연구 결과, 코로나 레인은 오직 가열이 기하학적 비대칭성을 정확히 상쇄할 때만 형성되며, 대칭적인 링크는 다양한 가열 프로파일에서 레인 형성을 허용하지만, 비대칭 링크는 냉각이 코로나층 온도에 도달할 수 있도록 충분히 오래 냉각되는 데 필요한 대칭적 가열이 필요하다는 것을 밝혀냈다.

ABSTRACT

Context: Thermal non-equilibrium (TNE) produces several observables that can be used to constrain the spatial and temporal distribution of solar coronal heating. Its manifestations include prominence formation, coronal rain, and long-period intensity pulsations in coronal loops. The recent observation of abundant periodic coronal rain associated with intensity pulsations by Auch\`ere et al. allows to unify these two phenomena as the result of TNE condensation and evaporation cycles. On the other hand, many intensity pulsation events observed by Froment et al. show little to no coronal rain formation. Aims: Our goal is to understand why some TNE cycles produce such abundant coronal rain, while others produce little to no rain. Methods: We reconstruct the geometry of the event reported by Auch\`ere et al., using images from STEREO/SECCHI/EUVI and magnetograms from SDO/HMI. We then perform 1D hydrodynamic simulations of this event, for different heating parameters and variations of the loop geometry (9000 simulations in total). We compare the resulting behaviour to simulations of TNE cycles by Froment et al. that do not produce coronal rain. Results: Our simulations show that both prominences and TNE cycles (with and without coronal rain) can form within the same magnetic structure. We show that the formation of coronal rain during TNE cycles depends on the asymmetry of the loop and of the heating. Asymmetric loops are overall less likely to produce coronal rain, regardless of the heating. In symmetric loops, coronal rain forms when the heating is also symmetric. In asymmetric loops, rain forms only when the heating compensates the asymmetry.

연구 동기 및 목표

• 코로나 링크의 열적 비평형(TNE) 순환에서 다량의 코로나 레인을 생성하는지 여부를 결정짓는 물리적 조건을 이해한다.
• Froment 등(2015)이 관측한 일부 TNE 사건은 코로나 레인을 보이지 않지만, '레인 보우' 사건(Auchère 등 2018)처럼 강한 레인 비를 보이는 이유를 조사한다.
• TNE 순환 동안 코로나 레인 형성 여부에 영향을 미치는 링크 기하학과 가열 대칭성의 역할을 규명한다.
• 가열과 기하학에 대한 공통된 의존성에 기반해 동일한 자기 구조 내에서 프로미네이스와 TNE 순환이 공존하는 것을 설명한다.

제안 방법

• STEREO/SECCHI/EUVI 영상과 SDO/HMI 자석도를 사용하여 '레인 보우' 코로나 링크의 3차원 기하학을 재구성했다.
• 체적 가열률, 가열 비대칭성, 링크 형태, 횡단면 확장률을 변화시킨 9,000개의 1차원 유체역학 시뮬레이션을 수행했다.
• 관측된 링크 기하학과 가열 프로파일을 사용해 시뮬레이션 파rameter를 제약하여 물리적 현실성을 확보했다.
• AIA, EUVI 및 Hα 관측 자료와 시뮬레이션 결과를 비교하여 모델 행동의 타당성을 검증했다.
• 냉각, 증발, 플라즈마 유동 역학을 포함한 TNE 순환의 진화를 분석하여 코로나 레인 형성 조건을 규명했다.
• Froment 등(2018)의 링크 기하학을 사용한 비교 시뮬레이션을 수행하여 대칭성 대 비대칭 링크의 행동을 대조했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떤 조건에서 TNE 순환이 다량의 코로나 레인을 생성하고, 어떤 조건에서는 레인 없이 지속될 수 있는가?
• RQ2 코로나 링크의 기하학적 비대칭성이 TNE 순환 중 플라즈마 응집의 형성과 생존에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 응집물이 코로나층 온도에 도달할 수 있도록 충분히 오래 냉각되도록 하기 위해, 가열 대칭성이 링크 비대칭성만큼 얼마나 정확히 보완되어야 하는가?
• RQ4 동일한 자기 구조에서 가열과 기하학의 차이에 따라 TNE 순환 중 코로나 레인 유무가 달라질 수 있는가?
• RQ5 TNE 순환에서 프로미네이스 유사 구조로의 전이를 가능하게 하는 핵심 가열 및 기하학적 파rameter는 무엇인가?

주요 결과

• 대칭적인 링크에서는 가열 강도에 관계없이 대칭적 가열이 이루어지면 코로나 레인 형성이 가능하며, 이는 레인 형성에 유리한 넓은 매개변수 공간이 있음을 시사한다.
• 비대칭 링크에서는 오직 가열이 기하학적 비대칭성을 정확히 상쇄할 때만 코로나 레인 형성이 가능하며, 그렇지 않으면 응집물이 코로나층 온도에 도달하기 전에 배출된다.
• '레인 보우' 사건은 양쪽 다 15 Mm의 가열 척도 높이를 가진 강력한 대칭적 발발지점 가열에 기인하며, 지속적인 응집과 레인 형성을 가능하게 했다.
• '레인 보우' 링크에서 가열 함수의 대칭성에서 약간의 편차가 발생하면, 관측된 레인 발생 지점인 링크 정상부에서 프로미네이스 유사 구조가 형성된다.
• 프로미네이스 형성과 TNE 순환(레인 유무 여부 포함)은 동일한 자기 구조 내에서 공존할 수 있으며, 오직 가열 대칭성과 링크 기하학의 차이에 의해 구분된다.
• 시뮬레이션 결과, 응집물이 코로나층 온도에 도달하기 전에 재가열되는 경우, 특히 가열이 맞지 않는 비대칭 링크에서는 TNE 순환 중 코로나 레인 없이 지속된다는 것이 확인되었다.