[論文レビュー] A Unified Picture of the FIP and Inverse FIP Effects

J. M. Laming|CERN Bulletin|May 12, 2004

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 55被引用数 85

ひとこと要約

本論文は、コロナに存在するアルベール波がコロナール・チャンバロスを伝播することで、太陽および星のコロナにおける第一イオン化ポ텐シャル（FIP）効果とその逆効果を同時に説明できると提唱する。部分的にイオン化されたプラズマにおける波誘起イオン加速をモデル化することで、波のエネルギー密度とチャンバロスの状態に応じて、太陽では低FIP要素が強化され、活発な星では低FIP要素が枯渇する現象が自然に生じる。

ABSTRACT

We discuss models for coronal abundance anomalies observed in the coronae of the sun and other late-type stars following a scenario first introduced by Schwadron, Fisk & Zurbuchen of the interaction of waves at loop footpoints with the partially neutral gas. Instead of considering wave heating of ions in this location, we explore the effects on the upper chromospheric plasma of the wave ponderomotive forces. These can arise as upward propagating waves from the chromosphere transmit or reflect upon reaching the chromosphere-corona boundary, and are in large part determined by the properties of the coronal loop above. Our scenario has the advantage that for realistic wave energy densities, both positive and negative changes in the abundance of ionized species compared to neutrals can result, allowing both FIP and Inverse FIP effects to come out of the model. We discuss how variations in model parameters can account for essentially all of the abundance anomalies observed in solar spectra. Expected variations with stellar spectral type are also qualitatively consistent with observations of the FIP effect in stellar coronae.

研究の動機と目的

• 太陽および星のコロナにおける長年の謎であるコロナ元素異常、特にFIP効果および逆FIP効果を解明すること。
• チャンバロスにおけるアルベール波に起因するポンデロモティブ力が、共鳴加熱や人工的境界条件に依存せずにイオン分離を引き起こすかどうかを調査すること。
• 太陽におけるFIP強化から活発星における逆FIP枯渇への観測された遷移を、波のエネルギー密度と星の活動度に関連付けて説明すること。
• 同一のモデルフレームワーク内で正および負のFIP分離を説明する統一された物理的メカニズムを提供すること。
• 波の伝播、反射、散逸がコロナプラズマにおける元素分離の符号と大きさをどのように決定するかを評価すること。

提案手法

• 磁場線に沿ったアルベール波の伝播を仮定し、波が上向きおよび下向きに伝播するとする。
• 波エネルギー密度を主要な制御パラメータとして、式（14）のアルベール波ポンデロモティブ力式を用いてイオン加速を計算する。
• Vernazza, Avrett, & Loeser（1981）のチャンバロス構造モデルを用いて、チャンバロス内でのイオン化分率およびプラズマ特性を計算する。
• チャンバロス-コロナ境界における波の反射と干渉をシミュレートし、波のキャンセレーションおよびネット力のバランスが成立する条件を評価する。
• 波のエネルギー密度および磁場強度を変化させることで、異なる星のタイプにおける観測されたFIPおよび逆FIP傾向を再現する。
• 高活動星における波の散逸および乱流スケーリングの影響を評価し、低ネット力状態を維持し、逆FIP効果を促進する条件を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非共鳴アルベール波がチャンバロス内でポンデロモティブ力を発生させ、FIP効果および逆FIP効果の両方を生じさせることができるか？
• RQ2 波エネルギー密度がコロナプラズマにおける元素分離の符号と大きさにどのように影響するか？
• RQ3 なぜFIP効果はコロナホールには存在しないが、閉じた磁場ループでは存在するのか？これは波の伝播とどのように関係するか？
• RQ4 波の干渉がネットポンデロモティブ力をキャンセルするための条件は何か？また、星の活動度に応じてその条件はどのように変化するか？
• RQ5 太陽におけるFIP強化から活発星における逆FIP枯渇への観測された遷移を、単一の物理的メカニズムで説明できるか？

主な発見

• アルベール波に起因するポンデロモティブ力は、チャンバロス内で低FIP要素のFIP効果を生じさせ、太陽観測と一致する程度で約3–4の強化をもたらす。
• より高い波エネルギー密度では、モデルは低FIP要素が約1/3に枯渇する逆FIP効果を予測し、活発星の観測と整合的である。
• 分離の符号は波エネルギー密度に強く依存しており、低エネルギーではFIP効果が、高エネルギーでは逆FIP効果が優位になる。
• チャンバロス-コロナ境界における波の反射と干渉は、ネット力のキャンセレーションを可能にするが、両端点からの正確な位相および振幅一致が必要である。
• 急速に回転する活発星では、低周波数のアルベール的乱流が支配的になり、波の散逸が減少し、逆FIP効果を促進する下向きのポンデロモティブ力が優位になる。
• 本モデルは、開いた磁場線が波をチャンバロスに戻さないため、コロナホールではFIP分離が観測されないことを説明できる。