[논문 리뷰] The structure of sunspot penumbrae IV. MHS equilibrium for penumbral flux tubes and the origin of dark core penumbral filaments and penumbral grains

J. M. Borrero|ArXiv.org|2007. 04. 24.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 31인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 얇은 자기장 튜브 근사가 적용되지 않는 수평 태양흑점 반그늘 흐름 튜브에서 자기중력수정 평형(MHS)을 조사하며, 자기장이 횡방향 성분을 가질 경우 힘의 균형이 이루어짐을 보여준다. 이에 따라 유도되는 열역학적 구조는 튜브 상단부의 높은 밀도와 낮은 온도로 인해 어두운 핵심 반그늘 필라멘트와 반그늘 입자들을 재현하며, 스펙트로폴라리메트릭 관측과 Evershed 유동이 어두운 줄무에 집중된 것과 일치한다.

ABSTRACT

We study the magnetohydrostatic equilibrium of magnetic flux tubes with circular cross sections embedded in a magnetic surrounding atmosphere. We solve the static momentum equation in 2.5D to obtain the thermodynamics that are consistent with a prescribed velocity and magnetic fields. We show that force balance is roughly satisfied if the flux tube's magnetic field is aligned with its axis. Equilibrium is guaranteed if this magnetic field possesses a transverse component. Several forms of this transverse field are investigated. The resulting magnetic field configurations are critically reviewed in terms of the results from spectropolarimetric observations. The thermodynamic structure that allows the flux tube to be in mechanical equilibrium is also calculated. We show that the inferred pressure, density and temperature stratification reproduce intensity features similar to dark core penumbral filaments and penumbral grains.

연구 동기 및 목표

• 얇은 흐름 튜브 근사가 적용되지 않는 태양흑점 반그늘에서 원형 횡단면을 가진 수평 흐름 튜브의 자기중력수정 평형을 조사하기 위해.
• 특히 튜브 반지름이 압력 척도 높이와 유사한 광합성권에서 현실적인 태양 조건 하에서 이러한 흐름 튜브가 기계적 평형에 도달할 수 있는지 확인하기 위해.
• 계산된 열역학적 구조를 통해 어두운 핵심 반그늘 필라멘트와 반그늘 입자와 같은 관측된 강도 특징을 재현하기 위해.
• 특히 자기장 기울기, 속도 기울기 및 Evershed 유동에 관해 스펙트로폴라리메트릭 관측과 비교하기 위해 결과적인 자기장 및 열역학적 구성 요소를 분석하기 위해.

제안 방법

• 원통좌표계에서 2.5차원 정적 운동량 방정식을 풀어, 주어진 속도 및 자기장과 일치하는 압력, 밀도, 온도 분포를 결정하기 위해.
• 외부 대기에서 잠재 자기장으로 가정하고, 흐름 튜브 표면에서 경계 조건을 적용하여 내부 자기장 구성 요소를 타당하게 유도하기 위해.
• 힘의 균형을 달성하고 평형을 가능하게 하기 위해 횡방향 성분이 있는 일반적인 형태의 흐름 튜브 자기장 사용하기 위해.
• 에너지 방정식이나 동적 진화를 가정하지 않고, 힘의 균형 하에서 운동량 방정식으로부터 열역학적 구배(P, ρ, T) 계산하기 위해.
• 관측된 반그늘 특징과 모델 출력을 비교하기 위해 복사전달 방정식을 사용하여 연속 스펙트럼 강도 시뮬레이션 수행하기 위해.
• 스펙트로폴라리메트릭 관측에서 유도된 관측 제약 조건을 적용하기 위해, 예를 들어 Evershed 유동(v = v₀ eₓ 튜브 내부, v = 0 외부)과 자기장 기울기 기울기 변화 적용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 얇은 흐름 튜브 근사가 적용되지 않는 수평 흐름 튜브가 원형 횡단면을 가진 태양흑점 반그늘에서 자기중력수정 평형에 도달할 수 있는가?
• RQ2 특히 횡방향 자기장 성분이 존재할 경우, 흐름 튜브 내부에서 힘의 균형을 확보하는 데 필요한 자기장 구성은 무엇인가?
• RQ3 유도된 열역학적 구조가 관측된 어두운 핵심 반그늘 필라멘트와 반그늘 입자를 재현하는가?
• RQ4 모의된 강도 프로파일과 속도 기울기는 고해상도 스펙트로폴라리메트릭 관측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 왜 모델에서 흐름 튜브의 하부 경계가 보이지 않는가? 이는 관측 증거와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 자기장이 튜브 축과 일치할 경우 힘의 균형은 근사적으로만 만족되지만, 횡방향 자기장 성분이 존재할 경우 균형이 크게 향상된다.
• 횡방향 자기장 구성에 기인한 열역학적 구조는 흐름 튜브 상단부에서 높은 밀도와 낮은 온도를 유도하여 어두운 핵심 반그늘 필라멘트를 재현한다.
• 모델은 필라멘트의 어두운 줄무에 집중된 Evershed 유동을 재현하며, 튜브 중심부의 높은 투과도가 어두워지는 효과를 강화한다.
• 모의된 강도 프로파일은 관측된 연속 스펙트럼 특징과 일치하며, 흐름 튜브의 상단부가 튜브 내부에서 τ₅ = 1 수준을 형성함으로써 하부 경계가 스펙트로폴라리메트리로는 보이지 않게 된다.
• 모델은 필라멘트의 밝은 측면에서 약한 유동을 예측하며, Bellot Rubio 등(2005)의 관측 결과와 일치한다.
• 고밀도 플라즈마가 저밀도 영역 위에 존재함으로써 레일리-태일러 불안정성이 발생할 가능성이 있으며, 수평 자기장이 안정화에 기여하는 역할은 명확하지 않다.