[논문 리뷰] The standard flare model in three dimensions. II. Upper limit on solar flare energy

G. Aulanier, P. Démoulin외 4명|Discovery Research Portal (University of Dundee)|2012. 12. 10.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 63인용 수 75

한 줄 요약

이 연구는 관측된 태양 sunspot 성질에 스케일링된 3차원 자기유체역학(MHD) 시뮬레이션을 사용하여 태양 플레어 에너지의 상한을 추정한다. 현실적인 sunspot 군의 조건 내에서 고도로 비틀어진 이중자석 구조를 모델링함으로써, 저자들은 태양이 약 6×10³³ 에르그에 이르는 플레어를 생성할 수 있음을 발견하였다—이는 2003년 11월 4일 관측된 가장 강력한 플레어(약 6배 더 에너지가 많음)이다.

ABSTRACT

Solar flares strongly affect the Sun's atmosphere as well as the Earth's environment. Quantifying the maximum possible energy of solar flares of the present-day Sun, if any, is thus a key question in heliophysics. The largest solar flares observed over the past few decades have reached energies of a few times 10^{32} ergs, possibly up to 10^{33} ergs. Flares in active Sun-like stars reach up to about 10^{36} ergs. In the absence of direct observations of solar flares within this range, complementary methods of investigation are needed. Using historical reports for solar active region, we scaled to observed solar values a realistic dimensionless 3D MHD simulation for eruptive flares, which originate from a highly sheared bipole. This enabled us to calculate the magnetic fluxes and flare energies in the model in a wide paramater space. Firstly, commonly observed solar conditions lead to modeled magnetic fluxes and flare energies that are comparable to those estimated from observations. Secondly, we evaluate from observations that 30% of the area of sunspot groups are typically involved in flares. This is related to the strong fragmentation of these groups, which naturally results from sub-photospheric convection. When the model is scaled to 30% of the area of the largest sunspot group ever reported, with its peak magnetic field being set to the strongest value ever measured in a sunspot, it produces a flare with a maximum energy of ~ 6x10^{33} ergs. The results of the model suggest that the Sun is able to produce flares up to about six times as energetic in total solar irradiance fluence as the strongest directly-observed flare from Nov 4, 2003. Sunspot groups larger than historically reported would yield superflares for spot pairs that would exceed tens of degrees in extent. We thus conjecture that superflare-productive Sun-like stars should have a much stronger dynamo than in the Sun.

연구 동기 및 목표

• 태양의 자기 활동 물리적 제약 조건을 바탕으로 태양 플레어 에너지의 이론적 상한을 결정하는 것.
• 관측된 자기장 및 구조적 성질을 바탕으로 태양이 태양과 유사한 별에서 관측된 초플레어(energies)를 생성할 수 있는지 평가하는 것.
• sunspot 군의 크기와 자기장 강도가 최대 플레어 에너지 잠재력에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 현재 태양 대류 다이너모 조건 하에서 이러한 극한 플레어가 발생할 가능성을 평가하는 것.
• 역사적 관측을 초월한 극단적 공간 날씨 위험을 추정하기 위한 물리적 근거를 제공하는 것.

제안 방법

• 고도로 비틀어진 이중자석에서의 폭발적 플레어를 시뮬레이션하기 위해 3차원 제로-β MHD 시뮬레이션(OHM 코드)을 사용하였으며, 관측된 코로나 및 크로모스피어 현상과의 일치를 검증함.
• 역사적 sunspot 및 활성 지역 데이터(면적, 자기장 강도, 플럭스 분포 포함)를 사용하여 시뮬레이션을 관측된 태양 값에 스케일링함.
• 하부 광합성대 대류 및 분열 효과로부터 유도된 sunspot 군 면적의 약 30%가 플레어에 관여한다는 관측 제약 조건을 적용함.
• 피크 자기장 강도를 3.5 kG로 설정하고 가장 큰 역사를 기록한 sunspot 군의 면적으로 모델 출력을 관측된 플레어 에너지와 일치시킴.
• 자기 플럭스, 면적, 플레어 에너지 간의 스케일링 법칙을 사용하여 극한 조건으로의 외삽 수행.
• 기존 태양 플레어 에너지학(예: 2003년 11월 4일 플레어) 및 항성 초플레어(예: Maehara et al. 2012)와의 결과 일치를 검증함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 태양 대류 다이너모 조건 하에서 태양 플레어가 도달할 수 있는 최대 에너지는 얼마인가?
• RQ2 관측된 물리적 제약 조건을 고려할 때 태양은 태양과 유사한 별에서 관측된 초플레어 수준의 에너지를 생성할 수 있는가?
• RQ3 관측된 sunspot 군의 크기와 자기장 강도는 잠재적 플레어의 에너지를 어떻게 제한하는가?
• RQ4 일般적으로 sunspot 군 면적의 어느 정도가 플레어 활동에 관여하는가? 그리고 이는 에너지 스케일링에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 태양에서 초플레어가 관측되지 않는 것은 물리적 한계 때문인가, 관측 편향 때문인가?

주요 결과

• 모델은 가장 역사적으로 기록된 sunspot 군과 그 피크 자기장 강도 3.5 kG에 스케일링된 결과, 태양 플레어 최대 에너지가 약 6×10³³ 에르그임을 예측함.
• 이 상한은 2003년 11월 4일 관측된 X28–X40 플레어보다 약 6배 더 에너지가 많은 플레어에 해당함.
• 연구는 일반적으로 sunspot 군 면적의 약 30%가 플레어에 관여하며, 이는 하부 광합성대 대류 및 활성 지역 분열과 관련된 결과임을 발견함.
• 10³⁶ 에르그 이상의 플레어—항성 초플레어의 일반적인 수준—는 48° 이상의 경도/위도 범위를 가진 sunspot 쌍이 필요하며, 이는 관측된 태양의 모든 특징을 훨씬 초월함.
• 결과적으로 태양의 현재 대류 다이너모는 이러한 거대한 sunspot 군을 생성할 가능성이 낮아, 태양에서의 초플레어 발생은 물리적으로 거의 불가능하다는 결론을 내림.
• 상한 에너지 값은 400년간의 직접 관측 기간 동안 초플레어가 관측되지 않은 것과 일치하며, 이러한 사건이 현재 태양보다 더 강력한 항성 다이너모가 필요하다는 가정을 뒷받침함.