[论文解读] Threaded-Field-Lines Model for the Low Solar Corona Powered by the Alfven Wave Turbulence

И. В. Соколов, B. van der Holst+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2016

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 40被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种结合磁流体动力学模型AWSoM-R的磁力线追踪模型（TFLM），用于高效模拟低日冕和过渡区。通过从1.1 R⊙边界追踪磁力线，并沿每条磁力线求解一维等离子体和波方程，该模型在约200个核心上实现了超实时性能，同时准确再现了观测到的日冕加热、太阳风加速以及日冕亮带等间歇性慢速风结构。

ABSTRACT

We present an updated global model of the solar corona, including the transition region. We simulate the realistic tree-dimensional (3D) magnetic field using the data from the photospheric magnetic field measurements and assume the magnetohydrodynamic (MHD) Alfvén wave turbulence and its non-linear dissipation to be the only source for heating the coronal plasma and driving the solar wind. In closed field regions the dissipation efficiency in a balanced turbulence is enhanced. In the coronal holes we account for a reflection of the outward propagating waves, which is accompanied by generation of weaker counter-propagating waves. The non-linear cascade rate degrades in strongly imbalanced turbulence, thus resulting in colder coronal holes. The distinctive feature of the presented model is the description of the low corona as almost-steady-state low-beta plasma motion and heat flux transfer along the magnetic field lines. We trace the magnetic field lines through each grid point of the lower boundary of the global corona model, chosen at some heliocentric distance, $R=R_{b}\sim1.1\ R_\odot$ well above the transition region. One can readily solve the plasma parameters along the magnetic field line from 1D equations for the plasma motion and heat transport together with the Alfvén wave propagation, which adequately describe physics within the heliocentric distances range, $R_{\odot}

研究动机与目标

• 开发一种计算高效、基于物理的低日冕和过渡区模型，仅由阿尔文波湍流驱动。
• 通过依赖非线性波耗散作为日冕加热和太阳风加速的唯一能量来源，消除人为加热函数和自由参数。
• 通过波反射和湍流不平衡，重现观测到的双峰式太阳风结构——即高温明亮的开放磁力线区域和低温黑暗的冕洞。
• 在约200个核心上实现超实时模拟性能，同时保持等离子体和磁场结构的高精度。

提出的方法

• 该模型以三维光球磁场数据为输入，重建全球日冕磁场结构。
• 从Rb = 1.1 R⊙的下边界追踪磁力线，计算沿每条磁力线的一维等离子体和波动力学。
• 一维方程包含动量、能量和波振幅演化，以阿尔文波湍流耗散为主要加热机制。
• 在闭合磁力线区域，湍流平衡导致高效耗散和加热；在冕洞区域，波反射产生弱反向传播波，降低耗散率，使等离子体冷却。
• 在Rb处将TFLM与完整的三维MHD AWSoM-R模型耦合，实现高保真度的全局稳态解。
• 执行时变模拟以捕捉动态现象，如日冕亮带形成，即使边界条件为稳态。

实验结果

研究问题

• RQ1 阿尔文波湍流是否足以解释低日冕和过渡区观测到的温度和密度结构？
• RQ2 冕洞中波的反射如何影响湍流不平衡与加热效率，导致等离子体温度低于开放磁力线区域？
• RQ3 磁力线追踪方法是否能在不损失物理准确性的情况下，实现太阳风和内日球层的超实时模拟？
• RQ4 波湍流非线性在盔状日珥冕洞处等离子体团间歇性脱离过程中扮演何种角色？
• RQ5 该模型在太阳活动极小期能否准确再现观测到的太阳风速度分布和纬向变化？

主要发现

• 模型成功再现了双峰式太阳风结构：高温明亮的闭合磁力线区域与低温黑暗的冕洞，其成因是波反射引起的湍流不平衡。
• 活跃区中强烈的波反射增强了波耗散，解释了太阳活动区在极紫外和X射线观测中亮度增强的现象。
• 模型捕捉到周期约为40小时的间歇性日冕亮带形成，与尤利西斯号任务的观测结果一致。
• 模型中的径向速度分布与尤利西斯号SWOOPS观测结果在所有纬度上均吻合，包括低纬度的慢速风和高纬度的快速风。
• 通过将一维磁力线解与全局三维MHD框架解耦，该模型在约200个核心上实现了超实时模拟性能。
• 时变模拟揭示了即使在稳态磁场边界条件下，盔状日珥的动态演化和由压力驱动的断开事件。