[论文解读] New analytical and numerical models of solar coronal loop: I. Application to forced vertical kink oscillations

K. Murawski, А. А. Соловьев+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2014

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 26被引用 5

一句话总结

本研究提出了一种太阳日冕环在重力分层大气中的新型解析与数值模型，利用FLASH代码模拟了受迫垂直扭磁振荡。该模型再现了观测到的无衰减扭磁振荡，速度振幅约为1.2 km s⁻¹，环顶位移约为100 km，与近期观测结果一致，验证了该模型在研究日冕中磁流体动力学波动力学方面的物理解实性。

ABSTRACT

Aims. We construct a new analytical model of a solar coronal loop that is embedded in a gravitationally stratified and magnetically confined atmosphere. On the basis of this analytical model, we devise a numerical model of solar coronal loops. We adopt it to perform the numerical simulations of its vertical kink oscillations excited by an external driver. Methods. Our model of the solar atmosphere is constructed by adopting a realistic temperature distribution and specifying the curved magnetic field lines that constitute a coronal loop. This loop is described by 2D, ideal magnetohydro- dynamic equations that are numerically solved by the FLASH code. Results. The vertical kink oscillations are excited by a periodic driver in the vertical component of velocity, acting at the top of the photosphere. For this forced driver with its amplitude 3 km/s, the excited oscillations exhibit about 1.2 km/s amplitude in their velocity and the loop apex oscillates with its amplitude in displacement of about 100 km. Conclusions. The newly devised analytical model of the coronal loops is utilized for the numerical simulations of the vertical kink oscillations, which match well with the recent observations of decay-less kink oscillations excited in solar loops. The model will have further implications on the study of waves and plasma dynamics in coronal loops, revealing physics of energy and mass transport mechanisms in the localized solar atmosphere.

研究动机与目标

• 开发一种嵌入在重力分层、磁约束大气中的太阳日冕环新型解析模型。
• 基于该解析框架构建数值模型，以模拟日冕环中的磁流体动力学波动力学。
• 研究由光球层边界处周期性速度驱动器激发的受迫垂直扭磁振荡。
• 将模拟结果与近期对太阳日冕环中无衰减扭磁振荡的观测进行比较。
• 验证该模型在真实日冕条件下再现横向磁流体动力学波振幅与周期的能力。

提出的方法

• 解析模型利用具有弯曲磁力线的二维重力分层太阳大气，推导平衡态质量密度与气体压强。
• 模型采用二维理想磁流体动力学（MHD）方程，包括连续性方程、动量方程、感应方程和能量方程，并采用多变指数状态方程。
• 数值模拟使用FLASH代码进行，采用真实的静力平衡太阳大气和略微修改的势场磁配置。
• 在光球层顶部施加周期为300 s、振幅为3 km s⁻¹的周期性驱动，以激发垂直扭磁振荡。
• 利用小波分析与周期图法分析密度与速度的时间序列数据，以识别振荡周期与振幅。
• 通过与Nisticó等（2013）及Anfinogentov等（2013）的观测数据对比，验证模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在重力分层大气中，新的日冕环解析模型能否再现观测到的无衰减扭磁振荡？
• RQ2 当光球层处施加周期性速度源时，垂直扭磁振荡的振幅与周期是多少？
• RQ3 模拟的振荡振幅与近期对太阳日冕环中速度与位移的观测测量结果相比如何？
• RQ4 环长在数值模拟中对受迫扭磁振荡振幅有何影响？
• RQ5 模拟中速度与密度变化之间的相位关系与基模扭磁振荡的理论预期相比如何？

主要发现

• 数值模拟产生了周期为300 s的垂直扭磁振荡，与驱动周期一致，证实了共振激发。
• 振荡速度振幅在环顶达到约1.2 km s⁻¹，与观测测量结果一致。
• 环顶位移振幅约为100 km，与近期对无衰减扭磁振荡的观测结果良好吻合。
• 小波分析与周期图分析显示，速度与密度时间序列中存在主导的5分钟波周期，且显著功率超过3σ。
• 观测到速度与密度变化之间存在π/4的相位差，这是基模扭磁振荡的典型特征。
• 该模型成功再现了无衰减扭磁振荡的关键观测特征，验证了其在后续研究日冕环中波能量与质量输运方面的适用性。