[논문 리뷰] Two-fluid simulations of waves in the solar chromosphere II. Propagation and damping of fast magneto-acoustic waves and shocks

B. Popescu Braileanu, V. S. Lukin외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 14.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 63인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 부분 이온화와 이온-중성자 분리 효과를 고려하여 태양 대기의 상층부에서 빠른 자기음파 및 충격파의 전파와 감쇠를 이중유체 MHD 시뮬레이션을 통해 조사한다. 고도에 따라 충돌 척도 일치와 주파수 의존성에 의해 유도되는 파동 분리 현상은 감쇠와 마찰열 발생을 증가시키며, 비선형 파동의 기울어짐으로 인해 충격파가 형성되고, 충돌 감쇠에 의해 C-형과 유사한 프로파일로 부드럽게 변형된다.

ABSTRACT

Waves and shocks traveling through the solar chromospheric plasma are influenced by its partial ionization and weak collisional coupling, and may become susceptible to multi-fluid effects, similar to interstellar shock waves. In this study, we consider fast magneto-acoustic shock wave formation and propagation in a stratified medium, that is permeated by a horizontal magnetic field, with properties similar to that of the solar chromosphere. The evolution of plasma and neutrals is modeled using a two-fluid code that evolves a set of coupled equations for two separate fluids. We observed that waves in neutrals and plasma, initially coupled at the upper photosphere, become uncoupled at higher heights in the chromosphere. This decoupling can be a consequence of either the characteristic spatial scale at the shock front, that becomes similar to the collisional scale, or the change in the relation between the wave frequency, ion cyclotron frequency, and the collisional frequency with height. The decoupling height is a sensitive function of the wave frequency, wave amplitude, and the magnetic field strength. We observed that decoupling causes damping of waves and an increase in the background temperature due to the frictional heating. The comparison between analytical and numerical results allows us to separate the role of the nonlinear effects from the linear ones on the decoupling and damping of waves.

연구 동기 및 목표

• 부분 이온화와 약한 충돌 결합이 태양 대기에서 파동 전파 및 감쇠에 미치는 영향를 이해하는 것.
• 기체의 비균일성, 자장, 부분 이온화된 플라즈마에서 빠른 자기음파 충격파의 형성과 진화를 조사하는 것.
• 플라즈마와 중성 유체가 분리되는 조건을 규명하고, 이로 인한 파동 에너지 소산에 미치는 영향를 파악하는 것.
• 선형 및 비선형 효과가 파동 감쇠와 충격파 구조에 각각 어떤 역할을 하는지 구분하는 것.
• 기체의 비균일성에서의 파동 감쇠에 대해 수치 시뮬레이션과 분석적 WKB 해법을 비교하는 것.

제안 방법

• 이온화된 플라즈마와 중성 유체 성분에 대한 연관된 방정식을 해결하는 이중유체 코드를 사용한 수치 시뮬레이션.
• 수평 자장과 고도에 따라 변화하는 이온화도 및 충돌 빈도를 고려한 기체의 비균일한 태양 대기 모델링.
• 충돌 평균 자유경로가 고도에 따라 증가함에 따라 이온-중성자 마찰을 주요 소산 메커니즘으로 통합.
• 선형 파동 감쇠를 추정하고 비선형 수치 결과와 비교하기 위해 WKB 근사법을 사용.
• 마찰열에 의한 온도 상승, 파동 진폭 변화, 충격파 전면 형태를 추적.
• 충격파 폭이 충돌 척도에 비해 어느 정도인지에 따라 J-형에서 C-형 충격파 프로파일로의 전이를 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빠른 자기음파에서 이온-중성자 분리가 발생하는 고도는 어디이며, 이는 파동 주파수, 진폭, 자장 강도에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ2 비선형 파동 기울어짐과 충돌 감쇠는 충격파 전면 형태와 소산에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 부분 이온화된 대기에서 선형 및 비선형 효과가 파동 감쇠에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 중력 기체의 비균일성이 파동 진폭과 감쇠 길이에 미치는 영향는 무엇이며, 특히 강한 자장에서 어떻게 나타나는가?
• RQ5 충격파가 C-형 또는 J-형으로 행동하는 조건은 무엇이며, 이는 고도에 따라 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 플라즈마와 중성 유체 간의 분리는 충격파 전면의 공간 척도가 이온-중성자 충돌 평균 자유경로와 유사해지는 고도에서 발생하며, 이는 고도가 증가함에 따라 증가한다.
• 분리 고도는 파동 주파수, 진폭, 자장 강도에 민감하며, 높은 주파수와 강한 자장에서는 분리가 지연된다.
• 이온-중성자 마찰로 인해 파동 감쇠가 크게 증가하여 배경 온도가 눈에 띄게 상승한다.
• 비선형 효과로 인해 파동 전면이 기울어지고 충격파가 형성되며, 1.5 Mm 고도에서 충돌 평균 자유경로 2 km와 유사한 크기로 충격파 폭이 감소한다.
• 상층 대기에서는 충격파가 충돌 감쇠로 인해 C-형과 유사한 프로파일로 부드러워지며, 이는 충격파 폭이 평균 자유경로보다 훨씬 클 경우에도 마찬가지로 나타난다.
• 수치 시뮬레이션과 분석적 WKB 해법 간의 감쇠율에 양호한 일치가 관찰되어 선형 및 비선형 파동 영역에서 모델의 정확성을 검증한다.