[论文解读] First SDO/AIA Observation of Solar Prominence Formation Following an Eruption: Magnetic Dips and Sustained Condensation and Drainage

Wei Liu, Thomas Berger+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2012

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 37被引用 11

一句话总结

本研究首次通过SDO/AIA观测到太阳耀斑爆发后，磁力凹陷中通过辐射冷却形成日珥的全过程。结果揭示了一个动态平衡系统：约10¹⁰ g s⁻¹的持续冷凝过程向日珥输送质量，而几乎相同的流失速率维持了质量平衡，其中96%的冷凝质量（约10¹⁵ g）在一天内被排出，表明宏观上的宁静状态由微观尺度的质量交换所驱动。

ABSTRACT

Imaging solar coronal condensation forming prominences was difficult in the past, a situation recently changed by Hinode and SDO. We present the first example observed with SDO/AIA, in which material gradually cools through multiple EUV channels in a transequatorial loop system that confines an earlier eruption. Nine hours later, this leads to eventual condensation at the dip of these loops, forming a moderate-size prominence of ~$10^{14}$ gram, to be compared to the characteristic $10^{15}$ gram mass of a CME. The prominence mass is not static but maintained by condensation at a high estimated rate of $10^{10}$ gram/sec against a comparable, sustained drainage through numerous vertical downflow threads, such that 96% of the total condensation (~$10^{15}$ gram) is drained in approximately one day. The mass condensation and drainage rates temporally correlate with the total prominence mass. The downflow velocity has a narrow Gaussian distribution with a mean of 30 km/s, while the downward acceleration distribution has an exponential drop with a mean of ~1/6 $g_{Sun}$, indicating a significant canceling of gravity, possibly by the Lorentz force. Our observations show that a macroscopic quiescent prominence is microscopically dynamic, involving the passage of a significant mass through it, maintained by a continual mass supply against a comparable mass drainage, which bears important implications for CME initiation mechanisms in which mass unloading is important.

研究动机与目标

• 利用高分辨率SDO/AIA观测，研究受限爆发后日珥的形成机制。
• 量化新形成日珥中的质量冷凝与流失速率，并评估其与日珥质量的时间相关性。
• 确定磁力凹陷与辐射冷却在日珥形成与维持中的作用。
• 评估持续质量流动对CME触发与日珥稳定性的意义。

提出的方法

• 分析12秒时间分辨率、1.5角秒空间分辨率的多波段SDO/AIA EUV图像（171、193、304 Å），以追踪等离子体冷却与冷凝过程。
• 沿弧环凹陷区域绘制时空图，监测冷凝与下沉流的演化。
• 基于发射线的多普勒位移测量下沉流速度与加速度，假设等离子体为光学薄状态。
• 利用EUV波段中的发射度与温度演化估算质量冷凝与流失速率。
• 通过日珥质量、冷凝速率与流失速率之间的相关性分析，评估质量预算的动力学。
• 将观测到的加速度分布与重力及洛伦兹力模型进行比较，推断日珥中的受力平衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁力凹陷中的辐射冷凝如何促进爆发后日珥的质量积累？
• RQ2 质量冷凝速率、流失速率与日珥总质量随时间的关系如何？
• RQ3 在日珥下沉流中，何种力与重力相抗衡？其对加速度有何影响？
• RQ4 日珥质量预算在多大程度上反映了供给与流失之间的动态平衡？
• RQ5 爆发前的弧环状态与磁力构型如何影响冷凝的启动与演化？

主要发现

• 日珥在跨赤道弧环的磁力凹陷中通过冷凝形成，初始冷却在304 Å发射中观测到约10⁵ K的温度。
• 平均质量冷凝速率估算为1.2 × 10¹⁰ g s⁻¹，峰值速率为(2.4 ± 0.4) × 10¹⁰ g s⁻¹，19小时内累计冷凝质量达8.0 × 10¹⁴ g。
• 流失速率与冷凝速率高度一致，约96%的总冷凝质量（~10¹⁵ g）在约一天内被排出。
• 日珥质量与流失速率强相关（r = 0.92 ± 0.1），表明质量预算具有自调节特性。
• 下沉流速度平均为30 km s⁻¹，呈窄高斯分布，平均向下加速度约为1/6 g⊙，表明存在显著的非重力力抵消。
• 结果表明，宏观上看似宁静的日珥在微观尺度上具有动态特性，其维持依赖于持续的质量供给与流失之间的平衡，对CME触发具有重要意义。