[论文解读] Momentum Balance in Eruptive Solar Flares: The Vertical Lorentz force Acting on the Solar Atmosphere and the Solar Interior

G. H. Fisher|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2010

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 1

一句话总结

本文利用观测到的矢量磁图变化，计算日冕爆发耀斑期间太阳大气中垂直洛伦兹力的变化，表明其在光球层和太阳内部产生大小相等、方向相反的向下作用力。该研究通过引入水平分量，推广了先前的模型，推导出逃逸等离子体质量的上限，并将力扰动与日震响应及耀斑喷射动量联系起来。

ABSTRACT

We compute the change in the Lorentz force integrated over the outer solar atmosphere implied by observed changes in vector magnetograms that occur during large, eruptive solar flares. This force perturbation should be balanced by an equal and opposite force perturbation acting on the solar photosphere and solar interior. The resulting expression for the estimated force change in the solar interior generalizes the earlier expression presented by Hudson, Fisher and Welsch (CS-383, ASP, 221, 2008), providing horizontal as well as vertical force components, and provides a more accurate result for the vertical component of the perturbed force. We show that magnetic eruptions should result in the magnetic field at the photosphere becoming more horizontal, and hence should result in a downward (towards the solar interior) force change acting on the photosphere and solar interior, as recently argued from an analysis of magnetogram data by Wang and Liu (Astrophys. J. Lett. 716, L195, 2010). We suggest the existence of an observational relationship between the force change computed from changes in the vector magnetograms, the outward momentum carried by the ejecta from the flare, and the properties of the helioseismic disturbance driven by the downward force change. We use the impulse driven by the Lorentz-force change in the outer solar atmosphere to derive an upper limit to the mass of erupting plasma that can escape from the Sun. Finally, we compare the expected Lorentz-force change at the photosphere with simple estimates from flare-driven gasdynamic disturbances and from an estimate of the perturbed pressure from radiative backwarming of the photosphere in flaring conditions.

研究动机与目标

• 通过从观测到的矢量磁图变化中计算外太阳大气中洛伦兹力的变化，量化爆发性太阳耀斑中的动量平衡。
• 确定作用于太阳光球层和内部的相应力扰动，确保动量守恒。
• 通过引入水平和垂直力分量，推广先前的模型，以提高垂直力估计的准确性。
• 建立力变化、耀斑喷射动量与日震扰动之间潜在的观测联系。
• 基于洛伦兹力变化的冲量，推导出太阳可逃逸等离子体质量的上限。

提出的方法

• 利用时间分辨的矢量磁图，对外太阳大气中的洛伦兹力进行积分，以计算大耀斑期间的力扰动。
• 应用动量守恒定律，推断作用于光球层和太阳内部的大小相等、方向相反的力扰动。
• 将Hudson等人（2008年）的早期表达式推广，以包含水平和垂直力分量，提高准确性。
• 利用大气中洛伦兹力变化的冲量，估算可逃逸的爆发性等离子体质量的上限。
• 将计算得到的力扰动与气体动力学扰动及辐射反向加热效应对光球层压力的影响估计进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何从观测到的矢量磁图变化中推导出爆发耀斑期间太阳大气中垂直洛伦兹力的变化？
• RQ2 作用于光球层和太阳内部的相应力扰动是什么？它如何与大气中力的变化达到平衡？
• RQ3 水平和垂直力分量如何共同贡献于耀斑中的总动量平衡？
• RQ4 计算得到的力变化能否与日震扰动及耀斑喷射动量建立联系？
• RQ5 洛伦兹力变化的冲量对可逃逸太阳的等离子体质量设定了何种上限？

主要发现

• 耀斑爆发期间，光球层的磁场趋于更水平，导致对光球层和太阳内部产生向下的力。
• 推广后的力模型相比先前的表达式，能更准确地估计垂直力分量。
• 大气中计算得到的洛伦兹力变化意味着太阳内部存在向下的力扰动，可能激发可探测的日震波。
• 大气中洛伦兹力变化的冲量为可逃逸的爆发性等离子体质量提供了上限。
• 从磁图变化估算的力扰动量级与气体动力学扰动及辐射反向加热效应的简单估算相近。