[논문 리뷰] Vortices evolution in the solar atmosphere: A dynamical equation for the swirling strength

J. R. Canivete Cuissa, O. Steiner|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 26.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 35인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 난류 흐름에서 비산성도보다 더 정확한 소용루성 강도를 정의하는 기준으로서의 소용루성 강도에 대한 최초의 해석적 진화 방정식을 유도하며, 태양 대기의 복사 MHD 시뮬레이션에 적용한다. 주요 기여는 대류권과 광구에서 소용루성 강도 생성의 주요 원인으로 유동성 및 자기 기초 기초성의 기여를 규명한 것으로, 특히 코로나에서 자기 항력 항만이 지배적으로 작용하며, 자기 플럭스 농도 내에서 소규모로 혼란스럽게 소용루성 강도가 생성됨을 밝혀냈다.

ABSTRACT

We study vortex dynamics in the solar atmosphere by employing and deriving the analytical evolution equations of two vortex identification criteria. The two criteria used are vorticity and the swirling strength. Vorticity can be biased in the presence of shear flows, but its dynamical equation is well known; the swirling strength is a more precise criterion for the identification of vortical flows, but its evolution equation is not known yet. Therefore, we explore the possibility of deriving a dynamical equation for the swirling strength. We then apply the two equations to analyze radiative MHD simulations of the solar atmosphere produced with the CO5BOLD code. We present a detailed review of the swirling strength criterion and the mathematical derivation of its evolution equation. This equation did not exist in the literature before and it constitutes a novel tool that is suitable for the analysis of a wide range of problems in (magneto-)hydrodynamics. By applying this equation to numerical models, we find that hydrodynamical and magnetic baroclinicities are the driving physical processes responsible for vortex generation in the convection zone and the photosphere. Higher up in the chromosphere, the magnetic terms alone dominate. Moreover, we find that the swirling strength is produced at small scales in a chaotic fashion, especially inside magnetic flux concentrations. The swirling strength represents an appropriate criterion for the identification of vortices in turbulent flows, such as those in the solar atmosphere. Moreover, its evolution equation, which is derived in this paper, is pivotal for obtaining precise information about the dynamics of these vortices and the physical mechanisms responsible for their production and evolution. Since this equation is available, the swirling strength is now the ideal quantity to study the dynamics of vortices in (magneto-)hydrodynamics.

연구 동기 및 목표

• 비산성도가 난류 태양 흐름에서 소용루성 강도 기준으로서의 한계를 해결하기 위해, 비산성도의 비틀림 흐름 편향 문제를 해결한다.
• 유동성과 물리적으로 타당한 기반을 지닌 소용루성 강도 기반의 신뢰성 있는 소용루성 탐지 기준을 개발한다.
• (마그네토)유체역학에서 소용루성 강도에 대한 최초의 해석적 진화 방정식을 유도한다.
• 이 방정식을 복사 MHD 시뮬레이션에 적용하여 태양 대기에서 소용루성 강도 생성 및 진화의 주요 물리적 메커니즘을 규명한다.
• 특히 자기 토네이도와 에너지 수송의 맥락에서 태양 플라즈마 내 소용루성 강도의 더 정확한 동역학 분석을 가능하게 한다.

제안 방법

• 운동량 방정식과 속도 기울기 텐서 분해를 사용하여 소용루성 강도의 진화 방정식을 유도한다.
• CO 5 BOLD 코드로 생성한 3차원 복사 MHD 시뮬레이션에 이 방정식을 적용한다.
• 시뮬레이션의 속도장 및 자기장 자료를 사용하여 모든 소용루성 강도 방정식의 항을 각 공간 점과 시간 단계에서 계산한다.
• 다양한 대기층에서의 소스 항(예: 기초 기초성, 자기 텐션)의 공간 분포 및 상대적 중요도를 분석한다.
• 특징적인 세 곳의 높이에서 소용루성 강도 방정식 항의 수평 단면도를 시각화하여 공간 패턴과 척도 구조를 파악한다.
• 소용루성 강도와 비산성도의 역학을 비교하여 소용루성 강도 기준의 신뢰성과 비틀림 흐름의 역할을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양 대류권과 광구에서 소용루성 강도 생성의 주요 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 소용루성 강도 생성과 비산성도 생성의 주요 소스 항 측면에서의 차이는 무엇인가?
• RQ3 코로나에서 자기 기초 기초성 및 자기 텐션 항은 소용루성 강도 진화에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 태양 대기의 어디에서 소용루성 강도가 가장 강하게 생성되며, 그 생성의 공간 구조는 어떠한가?
• RQ5 소용루성 강도 기준은 비산성도보다 난류적이고 자기장이 강한 환경에서 소용루성을 더 신뢰성 있게 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• 대류권과 광구에서 수직 소용루성 강도 생성의 주요 물리적 과정은 유동성 및 자기 기초 기초성이다.
• 코로나에서는 자기 항만이 소용루성 강도 생성에 지배적이며, 광구보다 더 등방성이고 광범위하게 분포되어 있다.
• 소용루성 강도는 소규모로 혼란스럽고 덩어리진 방식으로, 특히 자기 플럭스 농도 내에서 생성된다.
• 소용루성 강도 생성 과정에서 유동성 및 자기 기초 기초성 항의 기여가 상호 보완적으로 작용하여 국소적으로 상쇄될 수 있다.
• 코로나에서 자기 텐션과 자기 기초 기초성이 소용루성 강도 진화에 동일한 기여를 하며, 비산성도 역학과는 달리 텐션이 지배적이지 않다.
• 소용루성 강도 생성의 공간 구조는 소규모로 반대 방향의 패치로 나타나며, 이는 난류 운동이나 토르시온 알프베인 파동과의 가능성을 시사한다.