Alfven 波 によるコロナ 加 熱 太 陽 風 加 速 の MHDシミュレーション ( 太 陽 風 のAlfven 波 加 速 のMHDシミュレーション) 松 本 琢 磨 ( 名 大 ) 日 本 学 術 振 興 会 特 別 研 究 員 PD 共 同 研 究 者 鈴 木 建 ( 名 大 ) Matsumoto & Suzuki 2012 第 25 回 理 論 懇 シンポジウム @ つくば 国 際 会 議 場 % 23-Dec-2012
要 旨 目 的 太 陽 コロナ 加 熱 問 題 ( 太 陽 風 加 速 ) 磁 気 エネルギー 散 逸 経 路 の 特 定 質 量 放 出 率 の 理 論 的 決 定 手 段 Alfven 波 伝 播 の2.5D MHD シミュレーション 結 果 多 次 元 計 算 において 高 温 コロナと 高 速 太 陽 風 を 同 時 に 再 現 各 大 気 層 における 加 熱 機 構 を 特 定
光 球 (6,000 K) コロナ(100 万 度 ) 遷 移 層 光 球 彩 層 コロナ コロナ 加 熱 問 題 Vernazza et al. 1981 光 球 (6000K)とコロナ(1MK)の 間 には 大 きな 温 度 差 が 存 在 する 百 万 度 プラズマは 熱 伝 導 や 輻 射 冷 却 によって 大 きなエネルギー 損 失 を 被 る コロナ 温 度 を 維 持 するためには 何 らかの 加 熱 機 構 が 必 要 コロナの 加 熱 機 構 は?
太 陽 からの 質 量 放 出 ~10 % 太 陽 可 視 光 画 像 (SOHO/LASCO) Steady Wind ~90 % 現 在 の 太 陽 における 全 質 量 放 出 率 への 寄 与 Webb & Howard 1994
コロナ 中 のエネルギー 収 支 エネルギーバランスの 式 ( 単 位 : エネルギーフラックス) 加 熱 熱 伝 導 輻 射 冷 却 (b b b f brems) 太 陽 風 コロナ 加 熱 に 必 要 なエネルギー フラックスは 静 穏 領 域 の 場 合 Withbroe & Noyes 1977 対 流 運 動 による Poynting Flux により 十 分 まかなえる Hinode/SOT 可 視 光 movie ( 光 球 ) 粒 状 斑 と 呼 ばれる 対 流 運 動 を 示 す サイズ 1000km 寿 命 10 min
太 陽 極 域 磁 場 (ひので 衛 星 可 視 光 望 遠 鏡 ) ベクトルマグネトグラムに よる 極 域 光 球 磁 場 観 測 Tsuneta+ 2008 光 球 磁 場 分 布 から 外 挿 した ポテンシャル 磁 場 構 造 Ito+2010
MHD 波 動 によるエネルギー 輸 送 Slow waves / Fast waves 圧 縮 性 波 動 --- 成 層 大 気 中 ではすぐに 衝 撃 波 に 数 スケール 長 で 減 衰 --- 速 すぎる コロナ 加 熱 に 卓 越 した 寄 与 はできなさそう 彩 層 底 部 コロナへの 寄 与 はあり Alfven waves 非 圧 縮 性 波 動 --- 減 衰 が 遅 い どの 減 衰 過 程 が 最 も 効 果 的 かは 不 明 コロナ 加 熱 に 卓 越 した 寄 与 が 可 能
V A /4 Alfven 波 の 輸 送 過 程 位 相 速 度 は 非 一 様 密 度 構 造 ( 鉛 直 方 向 ) 成 層 構 造 遷 移 層 磁 場 構 造 ( 水 平 方 向 ) 磁 束 管 の 広 がり 反 射 の 効 果 エネルギーの 減 衰 乱 流 の 駆 動 屈 折 の 効 果 磁 気 シア 層 生 成 V 密 度 Alfven 波 の 位 相 速 度 distance 密 度 構 造 の 非 一 様 性 による Alfven 波 の 反 射
Alfven 波 の 散 逸 過 程 圧 縮 性 過 程 Alfven 波 の 磁 気 圧 による 圧 縮 性 波 動 へのモード 変 換 + 衝 撃 波 生 成 非 圧 縮 性 過 程 乱 流 などによる 磁 気 シア 生 成
これまでの 研 究 磁 束 管 に 沿 った1D 定 常 モデル(Hollweg 1986) 遷 移 層 は 非 常 に 動 的 乱 流 モデルを 仮 定 磁 束 管 に 沿 った1D 動 的 モデル(Suzuki&Inutsuka 2005) 乱 流 などの 多 次 元 効 果 なし MHD 乱 流 の 直 接 計 算 (Dmitruk+2002) 背 景 場 を 仮 定 or 計 算 領 域 が 小 さい コロナ 温 度 や 質 量 放 出 率 を 予 言 できない
Width [Mm] セットアップ 2800 G 20 Rs 2 4 Height [Mm] 2.5 G 2.5D 理 想 MHD 熱 伝 導 輻 射 冷 却 初 期 条 件 ポテンシャル 磁 場 静 水 圧 平 衡 (10 4 K) 境 界 条 件 紙 面 垂 直 方 向 速 度 場 白 色 雑 音 (1km/s)
計 算 例 Log Density [g/cc] Ca II H スピキュールと 呼 ばれる ジェット 現 象 Simulation From Solar Optical Telescope
Red solid line: Simulation Symbols: Observations Global Profile
加 熱 率
Heating below the chromosphere Total heating rate Velocity divergence Mode conversion Coincidence between Large heating rate Large div V Impulsive/local heating 10 times larger than average heating rate Vθ Vr
モード 変 換 Alfvenモードから 圧 縮 モード(Slow/Fast)への エネルギー 変 換 ( 衝 撃 波 を 介 して 熱 化 できる) 温 度 密 度 B
モード 変 換 Alfvenモードから 圧 縮 モード(Slow/Fast)への エネルギー 変 換 ( 衝 撃 波 を 介 して 熱 化 できる) or 非 線 形 な 磁 気 圧
Time 彩 層 衝 撃 波 のコロナへの 突 入 遷 移 層 と 彩 層 衝 撃 波 の 衝 突 彩 層 衝 撃 波 の 原 因 モード 変 換 物 質 のリバウンド 彩 層 衝 撃 波 遷 移 層 衝 突 の 役 割 コロナの 熱 化 遷 移 層 の 運 動 白 線 : 遷 移 層 黒 線 : 磁 力 線
Width [Mm] time Coronal Heating heating rate div V Collision between Chromospheric shock Concave transition region Strong refraction Horizontal inhomogeneity stimulate phase mixing?
鉛 直 方 向 屈 折 と 位 相 混 合 遷 移 層 Alfven 波 面 の 屈 折 電 流 構 造 の 向 き 磁 場 に 垂 直 磁 場 に 平 行 遷 移 層 をまたいで 位 相 速 度 が 変 化 波 面 が 密 に ( 位 相 混 合 過 程 ) Alfven 波 の 注 入 水 平 方 向
鉛 直 方 向 屈 折 と 位 相 混 合 波 面 遷 移 層 Alfven 波 面 の 屈 折 電 流 構 造 の 向 き 磁 場 に 垂 直 磁 場 に 平 行 遷 移 層 をまたいで 位 相 速 度 が 変 化 波 面 が 密 に ( 位 相 混 合 過 程 ) 水 平 方 向
コロナ 太 陽 風 中 の 乱 流 光 球 下 向 きAlfven 波 ( 反 射 波 ) 上 向 きAlfven 波 電 流 構 造 Dmitruk+2002 乱 流 の 駆 動 には 反 射 波 が 必 要 反 射 波 は 非 一 様 磁 気 大 気 構 造 により 生 成 背 景 磁 場 に 垂 直 方 向 のカスケード 大 (Shebalin+1983) 水 平 面 内 には コルモゴロフ 乱 流
Horizontal wave number Alfven 擾 乱 のパワースペクトル 密 度 背 景 磁 場 に 垂 直 な 方 向 に 非 等 方 カスケード - Shebalin+1983, Cho&Lazarian 2003 0.1Rs 5Rs 10Rs Radial wave number
Power index (p) エネルギー 密 度 のべき 指 数 変 動 太 陽 風 @1AUでの 観 測 反 射 波 : 少 ベキ 低 下 反 射 波 : 増 ベキ 上 昇 Tu & Marsch 1990
エネルギー 変 換 過 程 コロナ 底 部 < 1.1 Rs 1.1-4 Rs > 4 Rs 圧 縮 モード 変 換 彩 層 衝 撃 波 の 突 入 モード 変 換 非 圧 縮 屈 折 位 相 混 合 乱 流
まとめ 2 次 元 計 算 において 初 めて コロナ 加 熱 太 陽 風 加 速 を 同 時 に 生 成 各 高 さにおいて 加 熱 機 構 を 特 定 動 的 1D 計 算 では 見 られない 機 構 ( 屈 折 位 相 乱 流 ) 3D 乱 流 の 効 果 は? 今 回 のパラメータ(エネルギー 注 入 量 磁 場 構 造 ) では 1Dとほぼ 同 様 の 大 気 構 造 が 得 られた パラメータ 依 存 性 は? 太 陽 周 期 活 動 による 変 動 対 流 を 持 つ 恒 星
Mass Loss Rate Photospheric fluctuation [km/s]
1D Nonlinear mode conversion (e.g. Suzuki&Inutsuka 2005) From Alfvén mode to Slow/Fast mode
動 機 1D 計 算 Full MHD: 圧 縮 性 のみ 乱 流 はモデル 化 3D 計 算 非 圧 縮 MHD( 成 層 構 造 あり) 水 平 方 向 は 一 様 光 球 は 考 慮 していない( 質 量 放 出 率 が 決 定 でき ない)
Efficiency of turbulent dissipation 3 次 元 非 圧 縮 性 MHD turbulence (e.g. Oughton+ 2001) Heating rate depends on reflection rate of Alfvén wave 1 0 Reflection rate
指 針 現 在 までに 分 かっていることは 何 か? エネルギー 源 必 要 な 加 熱 量 磁 力 線 に 沿 った1D 光 球 なしの3D 乱 流 何 を 新 しく 知 ろうとしてこの 仕 事 をしたのか? 多 次 元 での 新 たなエネルギー 散 逸 経 路 の 探 索 なぜこの 仕 事 の 結 果 が 重 要 なのか 何 が 面 白 いのか? 物 理 的 ( 非 線 形 非 一 様 ) 天 文 学 的 ( 質 量 放 出 率 の 決 定 ) 実 際 の 仕 事 の 結 果 としてわかったのは 何 か? エネルギーの 散 逸 経 路 は 高 さによって 異 なる 多 次 元 的 になる この 結 果 はその 分 野 の 中 でとのような 意 味 があるのか? 質 量 放 出 率 のパラメータ 依 存 性 の 決 定 精 密 化
Dynamics
太 陽 極 域 磁 場 (ひので 衛 星 可 視 光 望 遠 鏡 ) Tsuneta+ 2008
Energy Conversion Processes Shock heating Coronal bottom < 1.1 Rs mode conversion 1.1-4 Rs > 4 Rs injection of chromospheric shocks mode conversion Turbulent heating phase mixing? due to field inhomogeneity wave wave interaction
Suematsu+1982 衝 撃 波 と 遷 移 層 の 衝 突 shocks