[论文解读] The standard flare model in three dimensions. II. Upper limit on solar flare energy

G. Aulanier, P. Démoulin+4 more|Discovery Research Portal (University of Dundee)|Dec 10, 2012

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 63被引用 75

一句话总结

本研究利用基于观测太阳 sunspot 特性的三维磁流体动力学（MHD）模拟，估算太阳耀斑能量的上限。通过在真实太阳 sunspot 群约束下对高度剪切的双极磁场结构进行建模，作者发现太阳可能产生高达约6×10³³ ergs的耀斑——比最强的观测耀斑（2003年11月4日）的能量高出约六倍。

ABSTRACT

Solar flares strongly affect the Sun's atmosphere as well as the Earth's environment. Quantifying the maximum possible energy of solar flares of the present-day Sun, if any, is thus a key question in heliophysics. The largest solar flares observed over the past few decades have reached energies of a few times 10^{32} ergs, possibly up to 10^{33} ergs. Flares in active Sun-like stars reach up to about 10^{36} ergs. In the absence of direct observations of solar flares within this range, complementary methods of investigation are needed. Using historical reports for solar active region, we scaled to observed solar values a realistic dimensionless 3D MHD simulation for eruptive flares, which originate from a highly sheared bipole. This enabled us to calculate the magnetic fluxes and flare energies in the model in a wide paramater space. Firstly, commonly observed solar conditions lead to modeled magnetic fluxes and flare energies that are comparable to those estimated from observations. Secondly, we evaluate from observations that 30% of the area of sunspot groups are typically involved in flares. This is related to the strong fragmentation of these groups, which naturally results from sub-photospheric convection. When the model is scaled to 30% of the area of the largest sunspot group ever reported, with its peak magnetic field being set to the strongest value ever measured in a sunspot, it produces a flare with a maximum energy of ~ 6x10^{33} ergs. The results of the model suggest that the Sun is able to produce flares up to about six times as energetic in total solar irradiance fluence as the strongest directly-observed flare from Nov 4, 2003. Sunspot groups larger than historically reported would yield superflares for spot pairs that would exceed tens of degrees in extent. We thus conjecture that superflare-productive Sun-like stars should have a much stronger dynamo than in the Sun.

研究动机与目标

• 基于太阳磁场活动的物理约束，确定太阳耀斑能量的理论上限。
• 评估太阳是否可能产生与类太阳恒星中观测到的超级耀斑能量相当的耀斑，基于其观测到的磁场和结构特性。
• 研究sunspot群大小和磁场强度在决定最大耀斑能量潜力方面的作用。
• 评估在当前太阳发电机条件下，此类极端耀斑发生的可能性。
• 为超越历史观测的极端空间 wea​​ther 风险提供物理基础，以估算太阳耀斑的影响。

提出的方法

• 使用三维零β MHD模拟（OHM代码）对来自高度剪切双极结构的爆发耀斑进行建模，并与观测到的日冕和色球层现象进行验证。
• 利用历史sunspot和活动区数据（包括面积、磁场强度和通量分布）将模拟结果缩放至观测太阳值。
• 应用对耀斑中涉及的sunspot群面积比例（30%）的观测约束，该比例源于对流层下部对太阳黑子群的分裂与破碎效应。
• 通过将峰值磁场设为3.5 kG、sunspot群面积设为历史上记录的最大sunspot群，校准模型输出以匹配观测到的耀斑能量。
• 利用磁场通量、面积与耀斑能量之间的标度律，将结果外推至极端条件。
• 通过已知的太阳耀斑能量学（如2003年11月4日耀斑）和恒星超级耀斑（如Maehara et al. 2012）对结果进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在当前太阳发电机条件下，太阳耀斑的最大能量能达到多少？
• RQ2 考虑到太阳的物理约束，太阳能否产生与类太阳恒星中观测到的超级耀斑相当的耀斑？
• RQ3 观测到的sunspot群大小和磁场强度如何限制潜在耀斑的能量？
• RQ4 通常有多少比例的sunspot群面积参与耀斑活动，这一比例如何影响能量标度？
• RQ5 太阳缺乏观测到的超级耀斑是由于物理限制还是观测偏差？

主要发现

• 当模拟结果缩放至历史上记录的最大sunspot群及其3.5 kG的峰值磁场时，模型预测太阳耀斑的最大能量约为6×10³³ ergs。
• 该上限对应于比2003年11月4日X28–X40耀斑（迄今直接观测到的最强太阳耀斑）能量高约六倍的耀斑。
• 本研究发现，通常约30%的sunspot群面积参与耀斑活动，该结果与对流层下部的对流及活动区的破碎效应相关。
• 能量超过10³⁶ ergs的耀斑——典型为恒星超级耀斑——需要太阳黑子对在经度/赤纬方向跨度超过48°，远超任何已观测到的太阳特征。
• 结果表明，当前太阳的对流发电机不太可能产生如此巨大的sunspot群，意味着太阳发生超级耀斑在物理上极不可能。
• 该能量上限与过去400年直接观测中未发现超级耀斑的现象一致，支持此类事件需要强于现今太阳的恒星发电机的观点。