[论文解读] Numerical simulations of shear-induced consecutive coronal mass ejections

Talpeanu, D. -C., Chané, E.+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2020

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 10

一句话总结

本研究利用2.5D MHD模拟，探究光球层剪切运动的微小变化如何触发不同的日冕物质抛射（CME）结果，包括隐蔽CME。结果表明，尽管首次喷发不受影响，但剪切速度仅变化1%，即可导致隐蔽、失败或双CME，揭示日冕对微小边界扰动具有极端敏感性。

ABSTRACT

Methods: Stealth CMEs represent a particular class of solar eruptions that are clearly distinguished in coronagraph observations, but they don't have a clear source signature. A particular type of stealth CMEs occurs in the trailing current sheet of a previous ejection, therefore, we used the 2.5D MHD package of the code MPI-AMRVAC to numerically simulate consecutive CMEs by imposing shearing motions onto the inner boundary. The initial magnetic configuration consists of a triple arcade structure embedded into a bimodal solar wind, and the sheared polarity inversion line is found in the southern loop system. The mesh was continuously adapted through a refinement method that applies to current carrying structures. We then compared the obtained eruptions with the observed directions of propagation of an initial multiple coronal mass ejection (MCME) event that occurred in September 2009. We further analysed the simulated ejections by tracking the centre of their flux ropes in latitude and their total speed. Radial Poynting flux computation was employed as well to follow the evolution of electromagnetic energy introduced into the system. Results: Changes within 1\% in the shearing speed result in three different scenarios for the second CME, although the preceding eruption seems insusceptible to such small variations. Depending on the applied shearing speed, we thus obtain a failed eruption, a stealth, or a CME driven by the imposed shear, as the second ejection. The dynamics of all eruptions are compared with the observed directions of propagation of an MCME event and a good correlation is achieved. The Poynting flux analysis reveals the temporal variation of the important steps of eruptions. For the first time, a stealth CME is simulated in the aftermath of a first eruption, through changes in the applied shearing speed.

研究动机与目标

• 研究剪切运动在触发连续日冕物质抛射（CME）中的作用，特别是隐蔽CME。
• 解决当低日冕源特征缺失时预测地球方向CME的挑战。
• 模拟低日冕边界剪切速度的微小变化如何导致不同的喷发结果。
• 利用前向建模（GCS）重现2009年9月多CME事件的观测传播方向。
• 通过径向Poynting通量分析电磁能量输入，建立能量动力学与喷发演化之间的联系。

提出的方法

• 在MPI-AMRVAC代码中使用2.5D MHD程序包，对光球层内边界施加剪切运动，模拟日冕动力学。
• 采用嵌入双模太阳风中的三重拱形磁结构，南部环路系统中包含剪切极性反演线。
• 通过自适应网格加密聚焦于载流结构，在不进行全局均匀加密的情况下保持CME区域的高分辨率。
• 利用Graduated Cylindrical Shell（GCS）技术进行前向建模，基于STEREO观测数据重建CME传播方向。
• 追踪磁通绳中心在纬度和总速度上的演化，比较模拟与观测的喷发动力学。
• 计算内边界处的径向Poynting通量，量化电磁能量输入，并与喷发阶段相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 低日冕边界剪切速度的微小变化是否可导致不同的CME结果，包括隐蔽喷发？
• RQ2 当相同剪切输入导致隐蔽、失败或双CME时，日冕响应有何不同？
• RQ3 利用GCS建模，模拟的CME传播方向在多大程度上能与2009年MCME事件的观测方向匹配？
• RQ4 电磁能量输入（通过径向Poynting通量）在区分不同喷发情景中起什么作用？
• RQ5 在先前CME的尾部电流片中触发隐蔽CME是否由剪切运动驱动，还是由日冕磁场重连引发？

主要发现

• 剪切速度从37 km s⁻¹变化1%时，第二次CME产生了三种截然不同的结果：隐蔽、失败或双喷发，尽管初始条件和首次喷发动力学完全相同。
• 隐蔽CME起源于首次CME的尾部电流片，其触发并非由预先存在的闭合磁场结构引起，而是由剪切诱导的磁重连驱动。
• 模拟与观测的CME传播方向之间实现了良好相关性，双喷发情况下CME1和CME2的斜率匹配良好。
• 磁通绳中心追踪显示所有情况下均表现出一致的偏转模式，模拟的纬向和速度演化与观测结果一致。
• 径向Poynting通量剖面在隐蔽和失败喷发中直到约15小时几乎完全相同，表明仅靠能量输入无法区分喷发结果。
• 本研究揭示日冕对剪切运动的微小变化具有极端敏感性，相同能量输入可导致定性不同的喷发行为。