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タイトル「太陽とコロナにおける流れと磁場の相互作用」

タイトル「太陽とコロナにおける流れと磁場の相互作用」. Plasma Theory Group, Hiroshima University. 太陽プラズマにおける 電磁流体力学 < 対流 , ダイナモ , リコネクション > 草野完也 広島大学大学院先端物質科学研究科. 共同研究者. 横山央明、桜井　隆 （国立天文台） 陰山 聡 （核融合科学研究所） 真栄城朝弘、西川憲明 （広島大学大学院先端物質科学研究科）. 概要. 太陽と太陽コロナ 観測事実とＭＨＤ的太陽像 太陽対流層とダイナモ ： 黒点の起源を探る

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タイトル「太陽とコロナにおける流れと磁場の相互作用」

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  1. タイトル「太陽とコロナにおける流れと磁場の相互作用」タイトル「太陽とコロナにおける流れと磁場の相互作用」 Plasma Theory Group, Hiroshima University 太陽プラズマにおける 電磁流体力学 <対流, ダイナモ, リコネクション> 草野完也 広島大学大学院先端物質科学研究科

  2. 共同研究者 横山央明、桜井　隆 （国立天文台） 陰山 聡 （核融合科学研究所） 真栄城朝弘、西川憲明 （広島大学大学院先端物質科学研究科） FDEPS No.2

  3. 概要 • 太陽と太陽コロナ • 観測事実とＭＨＤ的太陽像 • 太陽対流層とダイナモ：黒点の起源を探る • αωダイナモ理論と数値シミュレーション • 陽震学 • コロナのダイナミクス：フレアはなぜ起きる • Ｘ線観測と磁気リコネクション • 最小エネルギー原理と分岐遷移フレアモデル • 数値コロナ計画 FDEPS No.2

  4. B<0 B>0 B>0 B<0 観測的太陽像 • 太陽磁場 • 活動領域と太陽黒点 • 太陽活動周期（11ｘ２年）とButterfly diagram • 回転と対流 • 赤道加速 • 極域 37days 赤道域 26days 2.0km/s • 対流胞 • multi-scale structures • 0.1-1Km/sec FDEPS No.2

  5. 太陽の基本構造 対流層 コロナ磁場 核 コロナ （太陽大気） 100万度 放射層 太陽黒点 光球面 6000度 FDEPS No.2

  6. 電磁流体力学（ＭＨＤ）的太陽像 光 惑星間空間 太陽風 磁気リコネクション コロナ フレア・CME 熱・運動エネルギー （太陽大気） MHD不安定性 　　光球面 活動領域（黒点） 磁気浮力不安定性 対流層 磁気エネルギー運動エネルギー ダイナモ過程 対流不安定 熱エネルギー 再結合 放射層 　　 　　　散乱 核 核エネルギー光子 核融合 FDEPS No.2

  7. 太陽対流層とダイナモ太陽黒点の起源を探る Plasma Theory Group, Hiroshima University FDEPS No.2

  8. v B b αΩダイナモ理論 • 運動学的ダイナモモデル • 線形不安定性問題 • ２スケール理論 • α効果 • kinetic helicity • current helicity • Ω効果 • 差分回転 • Bpoloidal to Btoroidal FDEPS No.2

  9. 3次元球殻ダイナモシミュレーション • Taylor-Proudman constraint  Busse column • helicity < 0 in 北半球helicity > 0 in 南半球 • 赤道加速 (Gilman, ApJ 1983) FDEPS No.2

  10. 回転球殻対流ダイナモ • 3次元シミュレーション • Gilmann & Miller 1981 Boussinesq T=10^5 R=10^4 Pr=1 m=15 Nr=12 • Gilmann 1983 Boussinesq T=10^7 R=10^6 Pr=1 m=24 Nr=16 • Glatzmaier 1985 ApJ, 1987 anelastic m=31 n=32 • Glatzmaier, Toomre 1995, anelastic m=320 • Miesch, Elliott, Toomre 1998, T=10^4 R/Rc=100, 98x256x512 • Kageyama, Sato 1995, 1997 compressible T=10^6 R=10^4 Pr=1 • Kitauchi, Araki, Kida, 1997, Boussinesq • Kusano, Nishikawa, 1999, compressible, T=10^4, 51x64x128 シミュレーションの成果 Busse column equatorial acceleration dynamo oscillation しかし、 観測に合わない！ FDEPS No.2

  11. Simulationによって得られた平均回転速度(Kusano & Nishikawa 1999) SOHO/MDIによって観測された平均回転速度＊ 日震学(helioseismology) • 太陽表面の固有振動モード観測による内部構造の診断 太陽表面の固有音波モード＊ ＊Courtesy of SOHO/MDI consortium. SOHO is a project of international cooperation between ESA and NASA 対流層底部におけるシアの局所化 FDEPS No.2

  12. αΩーDynamo(Gilman & Charbonnea1999) NH >0 NH <0 NH <0 FDEPS No.2

  13. 観測との不一致 • 微分回転構造 • シミュレーションと観測の不一致（分解能の限界？） • ヘリシティの符号 • αΩモデルによれば　αNH< 0  <V･V>NH> 0 • シミュレーション　<V･V> NH<0 αNH>0 • 観測　<B･B>NH < 0 ? <V･V>NH> 0 (Pevtsov & Canfield 1999) FDEPS No.2

  14. Turbulent Simulation • Miesch et al. (2000, ApJ) Ra/Rc=5.4,Ta=2.5x104, 98x64x128 Ra/Rc=100,Ta=1.0x106, 98x256x512 FDEPS No.2

  15. Circulation & Helicity 観測 計算 helicity SOHO/MDI＊ ＊Courtesy of SOHO/MDI consortium. SOHO is a project of international cooperation between ESA and NASA • Miesch et al. (2000, ApJ) FDEPS No.2

  16. Compressible Model • Nishikawa & Kusano (2000) Initial condition Boundary condition FDEPS No.2

  17. Transition to zonal convection RaRcritical Ra3Rcritical c=2 c=10 FDEPS No.2

  18. 太陽対流層のまとめ • 観測 • 微分回転の局所化 ＞Interface dynamo model • 子午面大規模循環 • Helicity > 0 in NH (?) • シミュレーション • 対流の基本的性質を再現できない。 • 黒点の活動周期を説明できない。 FDEPS No.2

  19. コロナのダイナミクス太陽フレアはなぜ起きる？コロナのダイナミクス太陽フレアはなぜ起きる？ Plasma Theory Group, Hiroshima University FDEPS No.2

  20. 太陽フレア • 太陽コロナにおいて発生する局所的かつ間欠的な爆発現象 • 磁気エネルギーの解放過程 FDEPS No.2

  21. 「ようこう」による観測 Kusano & Tsuneta 1998 少なくともある種の大型フレアは磁気リコネクションの結果である。 FDEPS No.2

  22. 磁気リコネクション 磁場 (-B) 磁場 (B) 局所的な電流シートに よって、磁気エネルギー を効率的に熱と運動 エネルギーへ変換する。 電流 2d FDEPS No.2

  23. free energy high energy state L/Vp~3x104sec time low energy state 遷移過程としての太陽フレア • High state とlow stateは何が違うか？ • なぜ、high stateに長時間とどまるか？ • 遷移のトリガは何か？ ExB Tflare ~10sec Vp~ 0.1Km/sec L~3x104Km FDEPS No.2

  24. Dynamics • No equilibrium • Loss of equilibrium • Instability FDEPS No.2

  25. Loss of equilibrium • Forbes & Priest (1995) 2D MHD simulation FDEPS No.2

  26. 最小エネルギー原理 (Taylor 19８６) • 強く磁化した高温プラズマ中では、磁気ヘリシティを保存しながら磁気エネルギーを最小化した状態に自己組織化する。 ＡＢ大 ＡＢ小 S S0 1<<S FDEPS No.2

  27. single mode state double mode state single mode state double mode state 線形force-free状態　 • 円柱解 • Bessel関数モデル • 分岐解　 J RFP実験 B (Yoshida,Giga 1990) Il0 :結合関数 Il=0 :非結合関数 FDEPS No.2

  28. Lz Lx Ly モデル配位（磁気アーケード） • Periodic condition for horizontal coordinate (x, y). • Fourier expansion: • Boundary condition: (m0,n0)=(0,1) • unperturbed state is a 2D arcade system. Aspect ratio: a=Lz/Ly, b=Lx/Ly FDEPS No.2

  29. single mode state double mode state (m0,n0) (m0,n0)+(m1,n1) m1n1<λ コロナ磁場の最小エネルギー理論(Kusano 1995) • 有限のヘリシティを持つコロナ磁場の最小エネルギー解は、aが十分大きいとき必ず分岐する。 相互ヘリシティから 自己ヘリシティへ FDEPS No.2

  30. 磁気アーケード不安定性 • The single mode state is linearly unstable against the magnetic arcade instability, when the LFFF bifurcates. bifurcation 2D mode instability 3D mode instability growth rate vs. helicity FDEPS No.2

  31. Lz (=20) (256 points) Lx (32 Fourier modes) Ly (=1) (128 points) シミュレーション･モデル • boundary condition: • basic equation: • parameters: • case 1: 2D • Mikic, Barnes, & Schnack 1988 • Biskamp, Welter 1989 • Kusano et al. 1996 • etc. • case 2: 3D (Lx = 5:short arcade) • case 3: 3D (Lx = 10: long arcade) FDEPS No.2

  32. シミュレーション結果 (2D) FDEPS No.2

  33. ＥxＡ ヘリシティ輸送 • コロナ磁場は太陽から惑星間空間へのヘリシティ輸送過程におけるバッファ領域として働く。 磁気ヘリシティ 水量 磁気圧 重力 磁気張力 表面張力 FDEPS No.2

  34. output helicity diffusion input リミット･サイクル Helicity ejection Magnetic Arcade Instability Reconnection Flare! Energy Relaxation Enegy supply Helicity injection FDEPS No.2

  35. ３Ｄシミュレーション (電流層) compact arcade (Lx=5) long arcade (Lx=10) FDEPS No.2

  36. 2D total 3D Lx=5 3D Lx=10 total total (0,1) (0,1) (0,1) (1,0) (0,0) (0,0) other (0,0) other other (1,0) 3Dシミュレーション (Fourier mode) • Limit cycle in any cases. • Growing mode is switched. • short arcade: (0,0)  2D instability • long arcade: (1,0)  3D instability • Amplitude is reduced in 3D cases. Lx=10 2D Lx=5 FDEPS No.2

  37. まとめ２（コロナのダイナミクス） • リコネクションとある種のフレアの関係は観測的にほぼ確実 • 太陽コロナの最小エネルギー理論 • ヘリシティ入射による最小エネルギー状態の分岐と遷移 • 磁気アーケード不安定性 • 非線型シミュレーション • 分岐、磁気アーケード不安定性、リコネクション • ヘリシティ輸送過程におけるリミットサイクル • 非線型効果によるモード選択 FDEPS No.2

  38. observations 3D field Equilibrium (rot B = a B) boundary field (V & E) 3D MHD equations 実データシミュレーション計画 virtual reality FDEPS No.2

  39. V B+ B- Boundary • Correlation Tracking (by Yokoyama, NAOJ) FDEPS No.2

  40. Initial condition • Nonlinear Force-Free Field FDEPS No.2

  41. References • 太陽対流層の数値シミュレーション • P.A.Gilman, 1983 ApJ Suppl., 53, p.243. • M.S.Miesch et al., 2000 ApJ 532, p.593. • Ｎ.Ｎｉｓｈｉｋａｗａ＆K.Kusano, to be submitted. • 運動学的ダイナモモデル計算 • P.A.Gilman & P.Charbonneau, in Magnetic Helicity in Space and Laboratory Plasmas (AGU, 1999) p.75. • 太陽磁場のヘリシティ分布（観測） • A.A.Pevtsov & R.C.Canfield, in in Magnetic Helicity in Space and Laboratory Plasmas (AGU, 1999) p.103. • 太陽フレアの観測と理論 • 草野完也、常田佐久 「交流：太陽フレアの機構を探る --磁気再結合とエネルギー遷移--」 日本物理学会誌, 1998, pp.656--662. • 太陽コロナの最小エネルギー理論 • K.Kusano, Y.Suzuki, & K.Nishikawa, 1995 ApJ, 441, p.942. • K.Kusano, and K.Nishikawa, 1996 ApJ, 461, p.415. • 太陽コロナのＭＨＤシミュレーション • Z.Mikic, D.C.Barnes, & D.D.Schnack, 1988 ApJ, 328, p.830. • D.Biskamp, H.Welter, 1989 Solar Phys., 120, p.49. • T.Amari & J.F.Luciani, 2000 Phys.Rec.Lett., 84, p.1195. • K.Kusano, to appear. • 太陽フレアの理論モデル • T.G.Forbes & E.R.Priest, 1995 ApJ, 446, p.377. • 磁気リコネクション • E.R.Priest & T.G.Forbes, Magnetic Reconnection, MHD Theory and Applications (Cambridge University Press). • 日震学のレビュー • D.O. Gough, et al., "Perspectives in Helioseismology", Science, 31 May 1996 pp.1281-1283. • SOHO/MDI プロジェクトのページ：　http://soi.stanford.edu/ • 「ようこう」衛星のページ：http://www.solar.isas.ac.jp/ FDEPS No.2

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