[논문 리뷰] Electron Firehose instability and acceleration of electrons in solar flares

G. Paesold, A. O. Benz|DORA PSI (Paul Scherrer Institute)|2000. 01. 14.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 3인용 수 43

한 줄 요약

이 논문은 태양 플레어 플라즈마에서 전자 온도 이방이성 $T_\parallel^e > T_\perp^e$ 가 존재할 경우 전자 화염호스 불안정성의 특성을 조사하며, 이러한 이방이성이 종단 방향 입자 가속에 의해 유도되며, 이를 통해 좌회전 원형 편광 파동이 발생함을 보여준다. 기울인 모드는 종단 모드보다 더 빠른 성장률을 보이며, 이는 불안정성의 임계 조건을 지배하고 전자 에너지 증가를 억제하기 위해 에너지가 프로톤으로 이행될 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

An electron distribution with a temperature anisotropy T_par/T_perp > 1 can lead to the Electron Firehose instability (Here par and perp denote directions relative to the background magnetic field B_0). Since possible particle acceleration mechanisms in solar flares exhibit a preference of energizing particles in parallel direction, such an anisotropy is expected during the impulsive phase of a flare. The properties of the excited waves and the thresholds for instability are investigated by using linearized kinetic theory. These thresholds were connected to the pre-flare plasma parameters by assuming an acceleration model acting exclusively in parallel direction. For usually assumed pre-flare plasma conditions the electrons become unstable during the acceleration process and lefthand circularly polarized waves with frequencies of about the proton gyrofrequency are excited at parallel propagation. Indications have been found, that the largest growth rates occur at oblique propagation and the according frequencies lie well above the proton gyrofrequency.

연구 동기 및 목표

• 태양 플레어의 급격기 동안 종단 방향으로 가속되는 전자에 의해 유도된 전자 온도 이방이성이 전자 화염호스 불안정성을 유도할 수 있는지 조사한다.
• 현실적인 전플레어 플라즈마 조건 하에서 불안정성의 임계 조건과 파동 특성을 규명한다.
• 종단 모드와 기울인 전파 방향 모드 중 어느 것이 불안정성 성장률과 임계 조건을 지배하는지 평가한다.
• 전자에서 프로톤으로의 파동 에너지 이행이 태양 플레어에서 전자 에너지 증가의 한계에 미치는 영향을 탐색한다.

제안 방법

• 자기장이 작용하는 플라즈마에서 비맥스웰 분포 함수를 가진 전자에 대해 선형화된 운동학적 이론을 적용하여 전자기파의 분산 관계를 모델링한다.
• 전자 분포는 이방이성($T_\parallel^e > T_\perp^e$)을 가진다고 가정하며, 프로톤은 등방성이고 열적 평형 상태에 있다고 가정한다.
• 배경 자기장 $\mathbf{B}_0$ 와의 각도에 따라 다양한 전파 방향(종단 $\Theta = 0^\circ$ 및 기울임 각도 포함)에 대해 분산 방정식을 수치적으로 해석한다.
• 플라즈마 매개변수의 범위에서 주파수, 성장률, 편광 등의 파동 특성을 계산한다: $n_e \sim 10^{10}\,\mathrm{cm}^{-3}$, $T \sim 0.1-20\,\mathrm{keV}$, $B_0 \sim 100-1000\,\mathrm{G}$.
• 성장률을 비교하고 전파 각도 전역에서 가장 불안정한 모드를 식별함으로써 안정성 임계 조건을 평가한다.
• 특히 좌회전 편광 모드에 대해 프로톤 사이클로트론 공진이 파동 에너지 흡수에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양 플레어의 급격기 동안 생성된 전자 온도 이방이성이 전자 화염호스 불안정성을 유도할 수 있는가?
• RQ2 일반적인 전플레어 플라즈마 조건 하에서 종단 모드와 기울인 모드 중 어느 것이 더 높은 성장률을 보이는가?
• RQ3 이방성 전자 분포에 의해 유도된 가장 불안정한 파동 모드의 편광과 주파수는 무엇인가?
• RQ4 기울인 모드의 불안정성 임계 조건은 종단 모드와 비교하여 어떻게 되며, 종단 모드에 대해 안정한 플라즈마가 기울인 모드에 의해 불안정해질 수 있는가?
• RQ5 파동 방출을 통한 전자에서 프로톤으로의 에너지 이행이 태양 플레어에서 도달 가능한 전자 최대 에너지에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 전자 온도 이방이성 $T_\parallel^e > T_\perp^e$ 가 존재하는 코로나 플라즈마에서 전자 화염호스 불안정성이 발생하며, 특히 태양 플레어에서 예상되는 것처럼 전자 가속이 종단 방향으로 주로 일어날 경우에 특히 그렇다.
• 종단 전파에서 프로톤 싸이클로트론 주파수 $|\Omega_p|$ 근처의 주파수를 가진 좌회전 원형 편광 파동이 발생한다.
• 기울인 모드(약 $\Theta \approx 10^\circ$)는 종단 모드보다 상당히 높은 성장률을 보이며, 이는 불안정성의 주요 원인로 작용한다.
• 기울인 모드의 불안정성 임계 조건은 종단 모드보다 낮으며, 종단 모드에 대해 안정한 플라즈마도 기울인 모드에 의해 불안정해질 수 있다.
• 전자에서 프로톤으로의 에너지 이행이 사이클로트론 공진을 통해 일어나며, 이는 전자 가속을 억제할 수 있는 냉각 메커니즘이 될 수 있다.
• 좌회전 원형 편광 기울인 모드는 기존 전자 화염호스 불안정성 연구에서 고려되지 않았으며, 향후 추가 연구가 필요하다.