コロナ加熱・太陽風駆動の数値的研究

コロナ加熱・太陽風駆動の
数値的研究
松本琢磨
（JAXA/ISAS）
太陽研連シンポジウム＠名古屋
on 17-Feb-2015
Contents
• コロナ加熱・太陽風駆動の数値実験
（Matsumoto & Suzuki 12,14）の結果と関連する
過去の研究をレビューする. 主に
– Open field 上空
– 波動・乱流駆動型の理論（定常・非定常）
太陽からの質量放出
～10 %
Sun
Optical movie
(SOHO/LASCO satellite)
Steady Wind
> 85 %
Contribution to
the total mass loss
Webb & Howard 1994
エネルギー供給
• コロナ加熱に必要なエネルギー流量
(Withbroe & Noyes 1977)
– 静穏領域
： 3 x 105 [ erg / cm2 / s ]
– 活動領域
： 1 x 107 [ erg / cm2 / s ]
– コロナホール： 8 x 105 [ erg / cm2 / s ]
• 対流運動によるエネルギー供給
– 遅い運動：DC加熱（Braiding）
– 速い運動：AC加熱（波動）
• ポインティングフラックス
𝑉⊥ 𝐵⊥ 𝐵 𝐵2 𝐷 𝐵2 𝑉⊥
𝑊~
~
~
𝜃
4𝜋
4𝜋 𝐿
4𝜋
Θ
L
Loop models
• Braiding 型
– 境界駆動
– 自発維持
𝐵2 𝑉⊥
W~
4𝜋
𝜃
(臨界角度は10-20°, Parker 1983)
(Van Ballegooijen 86, Galsgaard & Nordlund 96)
(Dahlburg+2003, Pontin+2011)
• 突発的加熱とループの動的進化
(Klimchuk+2003)
– 彩層蒸発期
：高温ループの蒸発流を示唆
– 熱伝導優勢期：hot under dense loop
– 輻射冷却優勢期：warm over dense loop
Open Fieldの特徴
• 片方の磁力線は光球にアンカーされない
– Braidingは期待できなさそう
– 浮上磁場とのリコネクションはあり得る
• 太陽風の存在
– Enthalpy fluxもエネルギー平衡に重要
– 太陽風駆動とコロナ生成を同時に解く必要あり
競合モデル
• Reconnection / Loop Opening 型
– 活動領域縁からのアウトフロー
(Sakao+2007, Harra+2008, Nishizuka & Hara 2011 ...)
– 極域ジェット
(Cirtain+2007, Shimojo+2007, Culhane+2007)
• 波動乱流駆動型
– 波動観測
(De Pontieu+2007, Okamoto & De Pontieu 2011,
McIntosh+2011)
– 星間空間での乱流その場観測
(Tu & Marsch 1995)
Reconnection/Loop open型
• 加熱・加速シナリオ
– 磁束管浮上
– 既存磁場とリコネクション
– 質量・運動量・
エネルギー注入
• 現象論的モデル
(Fisk+1999, Ryutova+2001)
• 理論の整備が課題
(Longcope 1996, Priest+ 2002)
Fisk+1999
波動乱流駆動型
• 加熱・加速シナリオ
– 対流が磁束管を押す
– 波動(Alfven波)生成
– 大気中で反射波生成
– 波動相互作用で乱流化
• 現象論的・数値的研究
(Matthaeus+1999,Dmitruk+2002)
• 太陽風モデルへの応用
(Hollweg 1986, Cranmer+2007)
反射波
定常太陽風モデル
• 太陽風の初期理論
(Parker 1958)
𝑀 ∝ 𝜌𝑐 exp(−𝐴𝑇𝑐 )
•
•
•
•
Stellar mass loss への応用 (Hammer 1982)
乱流加熱 (Hollweg 1986)
衝撃波加熱 (Suzuki 2002/2004)
衝撃波＋乱流加熱 (Cranmer+ 2007)
コロナ中のMHD乱流
• Reduced MHD 近似
(Zank & Matthaeus 1992)
– 長波長・長周期・低マッハ数の時、
MHDは非圧縮MHDに逓減される
• Reduced MHDによる数値実験
– 磁力線に垂直方向にカスケード
– 乱流加熱の現象論的モデル
• 波の振幅 Z±
• Driving eddy size L
• 乱流の効率 Eturb
Cranmer+2007
• ZEPHYR codeとは
– 光球の速度擾乱スペクトルと、磁束管形状
から、1Dのコロナ・太陽風の構造を得る
– 定常モデル
• 衝撃波加熱・乱流加熱をモデル化
• Gray 輻射冷却・熱伝導入り
• ZEPHYR codeの応用
–
–
–
–
彩層：衝撃波加熱、コロナ：乱流加熱
低速風・高速風の分岐
Wave pressureによるFIP効果 (Laming 2004)
低質量星への応用 (Cranmer & Saar 2011)
太陽風モデルの課題
• コロナホール上空プラズマの無衝突性
– Ti >> Tp > Te
– T⊥ > Tll
（Kohl+ 1997)
• イオンサイクロトロン加熱が有力だが、
– Ωrequired = 102-4 Hz >> Ω対流 = 0.01 Hz
– よくあるMHD乱流理論(k⊥にカスケード)
ではΩを小さくできない
– 表面でのリコネクションによる生成された
波はMinorイオンによって吸収される
(Cranmer 2000)
非定常モデル
• 定常モデルの問題点
– 太陽大気のダイナミクスの無視
– あらかじめ与えられた加熱機構の使用
• Alfven波の散逸過程は未解明
– 非線形モード変換 (Kudoh & Shibata 1999)
– 位相混合 (Heyvaerts & Priest 1983)
– 彩層でも乱流？ (Verdini+2012)
Suzuki & Inutsuka 05/06
• 質量損失率を光球表面から決定した
• 非線形モード変換を伴う衝撃波散逸
– Alfven 波  磁気音波 (with δV/VA ~ 0.4)
• 高速・低速風の分岐
: expansion factor (f) に依存
– f 大  δV/VA 大  音速点の内側で散逸
 Mass flux 大  低速風
• Faint Young Sun問題への応用など
(Suzuki+2014)
Matsumoto & Suzuki 12/14
• 非定常モデルを２次元化
– 1D非定常計算は衝撃波加熱のみ
– 乱流などの非圧縮的加熱の重要性は？
• 2.5D MHD
– 熱伝導
– 輻射冷却
• 光球からAlfven波注入
– コロナ・太陽風生成
Matsumoto & Suzuki 14
• 自己完結的な2次元数値太陽風モデル
– 境界条件から大気構造・加熱機構が決まる
• 遷移層を境に加熱機構が変化
– 遷移層下：衝撃波
– 遷移層上：非圧縮加熱（たぶん乱流的:後述）
• 3次元計算の見込み
– Torsional or Transversal?
– 乱流散逸の効率化
(Van ballegooijen+2011)
– リコネクション
(Dmitruk+2004)
非圧縮加熱と圧縮加熱の比較
彩層・遷移層のダイナミクス
• 自己完結的な2
2D非定常加熱シナリオ
衝撃波から
回転不連続面に
変換
Alfven波注入
波動衝突による
乱流化
遷移層
これから
• 今後加熱素過程を検証
– 遷移層での反射と乱流化
– 遷移層・衝撃波衝突の力学
Z
Y
Vy
Alfven波
初期状態
終状態
X,
B
まとめ
• Open Fieldの加熱・加速機構
– Reconnection/Loop open 型
• 大空間スケールの現象なので数値実験・理論化困難
– 波動乱流駆動型
• 数値実験や半解析理論の整備が進んでいる
• イオンの温度異方性をどう説明するか？
• 加熱機構の競合関係は？
• 加熱機構の区別にはさらなる観測が必要
– Alfven波直接観測 (Okamoto+2015 in prep)
– 彩層ネットワーク上のブルーシフト
(He+2007,Brooks+2015)
– 極域ジェット、polar plume (Tian+2010)
– In situ でのリコネクション (Gosling+2005)
– 乱流とflux cancellation の時間スケール (Hollweg 2006)
FIP effect
• Formalism from Laming 2004
Cranmer+ 2007
• SUMER,MDI,EIT
• NeIII Blue shift @ network
• このblue shift領域はopen fieldにつな
がっていない
– 高速風の根本ではなさそう
• HINODE/EIS
• Log(T/K) > 5.8
• コロナホールで上昇流
In situ リコネクション
• Gosling+2005, GeoRL
– ACEの観測
– Petschek 型
乱流とFlux Cancellation
• Hollweg+1982,87,1
– Heliosのデータ
– Faraday Rotationを観測（<0.05AU)
– 磁場シグナルに数時間周期の時間変動
• Hollweg 1990, 2006
– Flux Cancellationの時間スケールと同程度
– 超粒状斑だと長すぎる
Loop models
• Braiding 型
– 境界駆動
– 自発維持
(臨界角度は10-20°, Parker 1983)
(Van Ballegooijen 86, Galsgaard & Nordlund 96)
(Dahlburg+2003, Pontin+2011)
• 突発的加熱とループの動的進化
(Klimchuk+2003)
– 彩層蒸発期
：高温ループの蒸発流を示唆
– 熱伝導優勢期：hot under dense loop
– 輻射冷却優勢期：warm over dense loop
• 観測
– ループのシア角 (Schrijver+1999,Cirtain+2013)
– フレアベキ則 (Hudson 1991, Shimizu 1995)
– Filling factor (Katsukawa & Tsuneta 2005, Kano+ 2014)
MHD乱流
• Reduced MHD 近似
– 長波長・長周期・低マッハ数の時、
MHDは非圧縮MHDに逓減される
• 95+68+76
+60+40+64+57+30+60+35+42+11
6+86+40
参考文献
• 以下のレビューを参考に
– Cranmer 2009, LRSP, 6, 3
– Parnell & De Moortel, 2012, RSPTA, 370,
3217
– Klimchuk, 2006, SoPh, 234, 41

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