[论文解读] Dynamics of solar coronal loops II. Catastrophic cooling and high-speed downflows

Daniel Mueller, H. Peter+1 more|ArXiv.org|May 27, 2004

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 85

一句话总结

本文提出，太阳日冕环中的灾难性冷却和高速下冲流是由足点主导的、时间无关的加热导致的热平衡丧失所致，而非由时间变化的能量输入引起。通过使用包含自洽辐射损失和离子化动力学的1维时间依赖流体动力学模型，研究显示凝聚和下冲流可自然地从非线性能量平衡中产生，重现了观测到的团块速度（约100 km/s）和大环中的周期性特征。

ABSTRACT

This work addresses the problem of plasma condensation and ``catastrophic cooling'' in solar coronal loops. We have carried out numerical calculations of coronal loops and find several classes of time-dependent solutions (static, periodic, irregular), depending on the spatial distribution of a temporally constant energy deposition in the loop. Dynamic loops exhibit recurrent plasma condensations, accompanied by high-speed downflows and transient brightenings of transition region lines, in good agreement with features observed with TRACE. Furthermore, these results also offer an explanation for the recent EIT observations of De Groof et al. (2004) of moving bright blobs in large coronal loops. In contrast to earlier models, we suggest that the process of catastrophic cooling is not initiated by a drastic decrease of the total loop heating but rather results from a loss of equilibrium at the loop apex as a natural consequence of heating concentrated at the footpoints of the loop, but constant in time.

研究动机与目标

• 解释在宁静日冕环中观测到的周期性等离子体凝聚和高速下冲流的起源。
• 研究时间无关的加热是否能在无需外部时间调制驱动的情况下触发灾难性冷却。
• 将数值模拟与TRACE和EIT观测到的移动亮斑及过渡区发射进行调和。
• 评估加热尺度高度与总加热率在触发环体排空中的作用。
• 证明环体中的动态行为可仅由内在流体动力学和辐射不稳定性自发产生。

提出的方法

• 使用求解低β等离子体质量、动量和能量守恒方程的1维时间依赖流体动力学代码。
• 整合自洽的H、He、C、O及其他元素的离子化速率方程，包含完全时间依赖的辐射损失。
• 施加在足点恒定、随高度呈指数衰减的机械能通量，以加热尺度高度 $ H_m $ 参数化。
• 将总能量输入归一化，使其在不同 $ H_m $ 值下保持恒定，以隔离空间加热分布的影响。
• 合成光学薄谱线的时间依赖发射，以便与观测直接比较。
• 进行不同 $ H_m $ 和机械能通量下的模拟，以探索参数空间和稳定性阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否由时间无关、足点主导的加热分布触发日冕环中的灾难性冷却和高速下冲流？
• RQ2 加热尺度高度 $ H_m $ 在决定热不稳定性及环体排空触发中的作用是什么？
• RQ3 模拟的下冲流速度和凝聚周期与TRACE和EIT观测到的值相比如何？
• RQ4 增加总加热率是否会改变灾难性冷却的阈值，其对环温度演化有何影响？
• RQ5 能否在不假设时间变化加热机制的情况下重现大环中观测到的周期性和团块动力学？

主要发现

• 灾难性冷却源于环顶热平衡的丧失，这是由于足点加热集中所致，而非总加热功率的降低。
• 加热尺度高度 $ H_m $ 是触发不稳定的临界参数；较小的 $ H_m $（例如2–3 Mm）会导致周期性凝聚和下冲流。
• 模拟重现了300 Mm环中高达100 km/s的下冲流速度和数天的周期，与De Groof等人（2004）的观测一致。
• 即使在凝聚过程中密度和压力发生显著变化，等离子体-β仍低于0.03，支持磁场主导、未受扰动的磁力线假设。
• 该模型保持稳定，并重现了与环顶冷却相关的观测谱线明亮化现象（例如Lyα、C IV）。
• 将机械能通量提高至 $ F_{m0} = c \cdot 10^4 $ W/m² 会提高初始环温度，但保持相同的动态行为，且凝聚阈值略有降低。