[论文解读] Acoustic wave propagation in the solar atmosphere. IV Nonadiabatic wave excitation with frequency spectra

J. Theurer, P. Ulmschneider+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 1997

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 2被引用 3

一句话总结

本研究利用包含辐射冷却和激波耗散的1D欧拉型流体动力学代码，研究太阳大气中非绝热声波的传播。研究识别出一个临界频率 f_cr ~ 1/25 Hz，该频率将衰减行为（f < f_cr）与持续共振行为（f > f_cr）分隔开来，表明随机频率谱导致稳定的、动态演化的日冕过渡区温度结构，其主导频带为高海拔处的3分钟带。

ABSTRACT

We study the response of the solar atmosphere to excitations by large amplitude acoustic waves with radiation damping now included. Monochromatic adiabatic waves, due to unbalanced heating, generate continuously rising chromospheric temperature plateaus in which the low frequency resonances quickly die out. All non-adiabatic calculations lead to stable mean chromospheric temperature distributions determined by shock dissipation and radiative cooling. For non-adiabatic monochromatic wave excitation, a critical frequency f_cr ~ 1/25 Hz is confirmed, which separates domains of different resonance behaviour. For waves of frequency f &lt; f_cr, the resonances decay, while for waves of f &gt; f_cr persistent resonance oscillations occur, which are perpetuated by shock merging. Excitation with acoustic frequency spectra produces distinct dynamical mean chromosphere models where the detailed temperature distributions depend on the shape of the assumed spectra. The stochasticity of the spectra and the ongoing shock merging lead to a persistent resonance behaviour of the atmosphere. The acoustic spectra show a distinct shape evolution with height such that at great height a pure 3 min band becomes increasingly dominant. With our Eulerian code we did not find appreciable mass flows at the top boundary.

研究动机与目标

• 模拟日冕过渡区对大振幅、非绝热声波（具有辐射阻尼）的响应。
• 确定波驱动的日冕过渡区温度结构变得稳定或瞬态的条件。
• 研究频率谱如何塑造平均大气结构和共振行为。
• 考察激波耗散和辐射冷却在建立平衡温度分布中的作用。
• 评估非绝热激发下，声波功率谱随大气高度的演变。

提出的方法

• 使用1D欧拉型流体动力学代码进行数值模拟，求解太阳大气中的运动方程、能量方程和连续性方程。
• 引入辐射冷却和激波耗散以模拟非绝热过程。
• 施加不同频率的单色波激发，以识别在 f_cr ~ 1/25 Hz 处的临界行为。
• 采用宽带频率谱进行激发，以模拟随机波输入，并研究由此产生的平均大气结构。
• 利用时变模拟分析波能分布和谱随高度的演变。
• 采用固定下边界条件，以避免在上边界出现显著的质量流出。

实验结果

研究问题

• RQ1 分隔日冕过渡区中衰减与持续共振行为的临界频率 f_cr 是多少？
• RQ2 非绝热效应（如辐射冷却和激波耗散）如何影响日冕过渡区温度结构的稳定性？
• RQ3 声波频率谱的形状如何影响最终的平均日冕过渡区温度分布？
• RQ4 在非绝热激发下，声波功率谱在太阳大气中随高度如何演变？
• RQ5 激波合并与随机激发在多大程度上维持日冕过渡区中的持续共振？

主要发现

• 确认临界频率 f_cr ~ 1/25 Hz，低于该频率时共振衰减，高于该频率时因激波合并而产生持续振荡。
• 非绝热波激发导致稳定的平均日冕过渡区温度分布，其由激波耗散与辐射冷却之间的平衡决定。
• 通过频率谱激发产生具有明显动力学特征的平均日冕过渡区模型，其温度结构取决于谱形特征。
• 声波谱随高度演变，在更高海拔处3分钟带的主导性逐渐增强。
• 在计算域上边界未发现显著质量流，表明能量被限制在日冕过渡区层内。
• 激波合并使 f > f_cr 时的共振振荡得以维持，从而实现向日冕过渡区的持续能量输送。