[论文解读] Shear Flows Driven by the Lorentz Force: An Energy Source for Coronal Mass Ejections and Flares

W. B. Manchester|ArXiv.org|Dec 18, 2008

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

一句话总结

本文提出，太阳活动区中的剪切流——驱动日冕物质抛射（CMEs）和耀斑的关键因素——在物理上是由在重力分层大气中浮现并膨胀的磁通量所产生的洛伦兹力所驱动的。模拟结果表明，这些自组织的剪切流将轴向磁通量和能量从太阳内部输运至日 corona，导致平衡状态丧失并触发快速的CME类喷发，从而为爆发性太阳活动提供了一个统一的物理机制。

ABSTRACT

Shear flows have been prescribed in numerical models of coronal mass ejections and flares for decades as a way of energizing magnetic fields to erupt. While such shear flows have long been observed in the solar atmosphere, until recently, there was no compelling physical explanation for them. This paper will discuss the discovery that such shear flows are readily explained as a response to the Lorentz force that naturally occurs as bipolar magnetic fields emerge and expand in a gravitationally stratified atmosphere. It will be shown that shearing motions transport axial flux, and magnetic energy from the submerged portion of the field to the expanding portion, strongly coupling the solar interior to the corona. This physical process explains active region shear flows and why the magnetic field is found to be nearly parallel to photospheric polarity inversion lines where prominences form. Finally, shear flows driven by the Lorentz force are shown to produce a loss of equilibrium and eruption in magnetic arcades and flux ropes offering a convincing explanation for CMEs and flares.

研究动机与目标

• 解决长期以来关于太阳活动区中观测到的大尺度剪切流物理起源的谜题。
• 建立一个自洽机制，将太阳内部的磁通量浮现与日冕能量积累及喷发联系起来。
• 证明仅由洛伦兹力驱动的剪切流即可导致平衡状态丧失，并驱动CME和耀斑，而无需人为强迫。
• 在单一物理框架下统一解释磁剪切、日珥形成与爆发性活动的观测证据。

提出的方法

• 使用包含重力和分层等离子体的三维MHD模型，模拟轴对称磁通量向日 corona 的浮现。
• 追踪水平剪切速度（Ux）和磁力线的演化，以可视化极性反演线处的剪切运动。
• 模拟浮现磁通量非均匀膨胀所产生的洛伦兹力，特别是磁张力不平衡。
• 利用三维日 corona 弧形结构和磁通量绳的模拟，研究由洛伦兹力驱动的剪切流下的喷发动力学。
• 将模拟结果与Hα纤维、EUV环、X射线S形结构以及TRACE双带耀斑的观测进行对比。
• 分析喷发速度与尺寸随系统尺寸的标度关系，以评估CME规模喷发的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在CME和耀斑之前，太阳活动区中观测到的大尺度剪切流的物理机制是什么？
• RQ2 浮现磁通量产生的洛伦兹力如何导致极性反演线附近剪切磁场的形成？
• RQ3 仅由洛伦兹力驱动的剪切流是否能导致平衡状态丧失并驱动快速CME类喷发？
• RQ4 为何磁剪切始终与CME和耀斑的产生率相关？
• RQ5 通过该机制，磁能和磁通量如何从太阳内部输运至日 corona？

主要发现

• 剪切流在磁通量浮现过程中由洛伦兹力自组织形成，解释了其在活动区中自发出现的原因。
• 剪切运动源于由磁张力驱动的水平流动，形成大振幅剪切阿尔芬波。
• 极性反演线附近的磁力线演化为几乎与该线平行，与日珥和纤维的观测结果一致。
• 剪切流将轴向磁通量和能量从磁场的淹没部分输运至膨胀的日 corona，从而将对流层与日 corona 耦合起来。
• 模拟显示，由洛伦兹力驱动的剪切流可导致平衡状态丧失并触发剧烈喷发，峰值速度可达150 km/s，并形成激波。
• 喷发速度随系统尺寸的增大而有利增长，表明更大尺度的模拟可产生观测规模的CME。