[論文レビュー] Toward detailed prominence seismology - II. Charting the continuous magnetohydrodynamic spectrum

J. W. S. Blokland, Rony Keppens|Data Archiving and Networked Services (DANS)|Jun 24, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 42被引用数 11

ひとこと要約

本研究は、現実的で重力場を伴うフラックスロープ平衡状態に、強調凝縮を含めた連続磁気流体力学（MHD）スクリーンを分析することで、発光体地震学を前進させる。解析的および数値的手法を用いて、合理的な表面近くのアルフベーンモードとスローモードの間で四モード結合を同定し、グローバル固有振動を促進する周波数ギャップを明らかにするとともに、磁力線に沿って密度やエントロピーが変化する場合に、対流連続体不安定性が生じることを解明した。

ABSTRACT

Starting from accurate MHD flux rope equilibria containing prominence condensations, we initiate a systematic survey of their linear eigenoscillations. To quantify the full spectrum of linear MHD eigenmodes, we require knowledge of all flux-surface localized modes, charting out the continuous parts of the MHD spectrum. We combine analytical and numerical findings for the continuous spectrum for realistic prominence configurations. The equations governing all eigenmodes for translationally symmetric, gravitating equilibria containing an axial shear flow, are analyzed, along with their flux-surface localized limit. The analysis is valid for general 2.5D equilibria, where either density, entropy, or temperature vary from one flux surface to another. We analyze the mode couplings caused by the poloidal variation in the flux rope equilibria, by performing a small gravity parameter expansion. We contrast the analytical results with continuous spectra obtained numerically. For equilibria where the density is a flux function, we show that continuum modes can be overstable, and we present the stability criterion for these convective continuum instabilities. Furthermore, for all equilibria, a four-mode coupling scheme between an Alfvenic mode of poloidal mode number m and three neighboring (m-1, m, m+1) slow modes is identified, occurring in the vicinity of rational flux surfaces. For realistically prominence equilibria, this coupling is shown to play an important role, from weak to stronger gravity parameter g values. The analytic predictions for small g are compared with numerical spectra, and progressive deviations for larger g are identified. The unstable continuum modes could be relevant for short-lived prominence configurations. The gaps created by poloidal mode coupling in the continuous spectrum need further analysis, as they form preferred frequency ranges for global eigenoscillations.

研究の動機と目的

• 既存の発光体地震学モデルにおける簡略化された磁場トポロジーの制限を克服すること。
• 現実的で重力場を伴うフラックスロープ平衡状態に、発光体凝縮を含めた、完全な連続MHDスペクトルを体系的にマッピングすること。
• 多極モード結合が連続スペクトルの形状をどのように決定し、グローバル振動のための好ましい周波数窓を形成するかを特定すること。
• 特に現実的な熱力学的プロファイル下での対流連続体不安定性の出現を含め、連続モードの安定性を評価すること。
• PHOENIXコードを用いた高分解能数値シミュレーションにより、小重力下での解析的予測を検証すること。

提案手法

• 軸方向のシアー流を伴う、並進対称的で重力場を伴うMHD平衡状態におけるモード結合を解析するため、小重力パラメータ展開を用いる。
• 磁力線に沿って密度、エントロピー、または温度が変化する一般の2.5次元平衡状態下での連続MHDスペクトルの解析的方程式を導出する。
• 合理的な磁力線の近くで、多極モード番号 $m$ のアルフベーンモードと、その隣接する三つのスローモード（$m-1$、$m$、$m+1$）との間で四モード結合のスキームを同定する。
• PHOENIXスペクトルコードを用いて、二つの平衡クラス（高温キャビティ内の冷却発光体と二重層構造発光体）における、全連続MHDスペクトルを数値的に計算する。
• 小重力下での解析的予測と数値スペクトルを比較し、重力が大きい場合のずれを定量化する。
• 熱力学的プロファイル（温度、密度、エントロピーを磁力線関数として）が連続ギャップおよび不安定性に与える依存関係を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 合理的な表面近くでの多極モード結合が、発光体平衡状態における連続MHDスペクトルの構造にどのように影響を与えるか？
• RQ2 連続スペクトルが不安定化する条件は何か、特に対流連続体不安定性が出現する条件は？
• RQ3 モード結合によって生じる連続ギャップは、磁力線に沿って変化する熱力学的プロファイル（温度、密度、エントロピー）にどのように依存するか？
• RQ4 小重力下での解析的予測が、現実的な発光体構造における全数値スペクトルをどの程度正確に記述できるか？
• RQ5 重力はアルフベーンおよびスローモードの連続分岐をどのように形作るか？また、アルフベーン連続分岐にギャップを生じさせるか？

主な発見

• 合理的な磁力線の近くで、一つのアルフベーンモードと三つの隣接するスローモード（$m-1$、$m$、$m+1$）との間で四モード結合のスキームが同定され、回避的クロスイングおよび連続スペクトル内のギャップが生じた。
• 温度が磁力線関数である平衡状態では、二重層構造発光体ではアルフベーン連続分岐に重力に比例する線形ギャップが、冷却発光体では非線形ギャップが現れる。
• 密度が磁力線関数である場合、連続スペクトルは対流連続体不安定性（CCI）により不安定化し、$q=1$表面付近ではCCIモードが支配的なアルフベーン的性質を示す。
• エントロピーが磁力線関数である平衡状態では、連続スペクトルは安定であり、アルフベーン連続分岐にギャップは現れない。
• PHOENIXを用いて計算された数値スペクトルは、小重力下で解析的予測と良好に一致するが、重力が大きくなると徐々にずれが顕著になる。
• 強い重力下での解析的・数値的結果の差異は、冷却発光体の同じ多極モード番号を持つスローモード連続分岐および二重層構造発光体の $m \to m\backslashpm1$ スローモード連続分岐で特に顕著である。