[论文解读] Nature of the energy source powering solar coronal loops driven by nanoflares

Chitta, L. P., Peter, H.+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2018

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 58

一句话总结

本研究识别出光球层通量抵消引发的日冕色球层磁重连是太阳活动区日冕环加热的关键能量来源。利用协调的SDO/AIA与HMI观测，研究发现约10^15 Mx s⁻¹的通量抵消速率在具有混合极性的磁性区域驱动了日冕中的局部极紫外（EUV）亮化现象，表明能量通过重连释放，从而为纳米耀斑加热的日冕环提供能量。研究结果表明，该机制也可能维持宁静太阳日冕的加热。

ABSTRACT

Magnetic energy is required to heat the corona, the outer atmosphere of the Sun, to millions of degrees. We study the nature of the magnetic energy source that is probably responsible for the brightening of coronal loops driven by nanoflares in the cores of solar active regions. We consider observations of two active regions (ARs), 11890 and 12234, in which nanoflares have been detected. To this end, we use ultraviolet (UV) and extreme ultraviolet (EUV) images from the Atmospheric Imaging Assembly (AIA) onboard the Solar Dynamics Observatory (SDO) for coronal loop diagnostics. These images are combined with the co-temporal line-of-sight magnetic field maps from the Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) onboard SDO to investigate the connection between coronal loops and their magnetic roots in the photosphere. The core of these ARs exhibit loop brightening in multiple EUV channels of AIA, particularly in its 9.4 nm filter. The HMI magnetic field maps reveal the presence of a complex mixed polarity magnetic field distribution at the base of these loops. We detect the cancellation of photospheric magnetic flux at these locations at a rate of about $10^{15}$ Mx s$^{-1}$. The associated compact coronal brightenings directly above the cancelling magnetic features are indicative of plasma heating due to chromospheric magnetic reconnection. We suggest that the complex magnetic topology and the evolution of magnetic field, such as flux cancellation in the photosphere and the resulting chromospheric reconnection, can play an important role in energizing active region coronal loops driven by nanoflares. Our estimate of magnetic energy release during flux cancellation in the quiet Sun suggests that chromospheric reconnection can also power the quiet corona.

研究动机与目标

• 理解驱动太阳活动区日冕环加热的能量来源，特别是由纳米耀斑驱动的机制。
• 研究日冕环亮化现象与活动区光球层磁场演化之间的关联。
• 确定通量抵消及日冕环磁基底处的色球层重连是否能提供足够的能量以维持日冕加热。
• 评估该机制在驱动活动区日冕和宁静太阳日冕中的可行性。

提出的方法

• 分析SDO/AIA（12秒时间分辨率）的同步极紫外与紫外图像，以检测活动区AR 11890与AR 12234中日冕环的亮化现象。
• 利用SDO/HMI（45秒时间分辨率）的视线磁场图，追踪位于亮化日冕环下方的光球层磁场通量演化。
• 通过测量光球层磁场通量以约10^15 Mx s⁻¹的单调递减速率，识别磁通量抵消的位置。
• 将日冕亮化现象的时间与位置，与光球层通量抵消及色球层重连特征进行相关性分析。
• 使用公式 ẋE = (1/4π) B ẋΦ H 估算磁能释放速率，其中 B ≈ 10–100 G，ẋΦ ≈ 8×10^20 Mx s⁻¹，H ≈ 500 km。
• 将估算的磁能释放速率（约10^28–10^29 erg s⁻¹）与宁静太阳日冕的观测能量需求（约10^28 erg s⁻¹）进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么类型的磁能来源驱动了活动区核心区域日冕环亮化现象？
• RQ2 光球层磁场通量抵消与日冕环加热及纳米耀斑活动之间有何关联？
• RQ3 由通量抵消触发的色球层重连能否提供足够的能量以加热日冕？
• RQ4 该机制是否同样适用于驱动宁静太阳日冕的加热？

主要发现

• 在AR 11890与AR 12234中，日冕环亮化现象，特别是AIA 9.4 nm滤镜（对约7 MK等离子体敏感）中的亮化，与光球层约10^15 Mx s⁻¹的通量抵消相关。
• HMI磁场图显示，日冕环足点处存在复杂的混合极性磁场环境，明确显示出通量抵消与重连的迹象。
• 位于抵消磁性特征正上方的紧凑日冕亮化现象，表明等离子体通过色球层磁重连被加热。
• 通过通量抵消释放磁能的速率估算为约10^28–10^29 erg s⁻¹，与维持宁静太阳日冕所需的能量相匹配。
• 观测到的能量释放速率足以支撑宁静太阳日冕的加热，表明在通量抵消过程中发生的色球层重连是一种可行的加热机制。
• 研究结果支持如下假设：活动区中类似纳米耀斑的加热是由光球层通量抵消引发的色球层重连驱动的，而不仅仅是日冕磁织或波的耗散。