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 陰山 聡 真栄城朝弘、西川憲明 （国立天文台） （核融合科学研究所） （広島大学大学院先端物質科学研究科） 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） Dec.5, 2000 FDEPS No.2

概要 太陽と太陽コロナ 太陽対流層とダイナモ：黒点の起源を探る コロナのダイナミクス：フレアはなぜ起きる 観測事実とＭＨＤ的太陽像 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 Dec.5, 2000 FDEPS No.2

観測的太陽像 太陽磁場 回転と対流 活動領域と太陽黒点 太陽活動周期（11ｘ２年）とButterfly diagram 赤道加速 対流胞 極域 37days 赤道域 26days 2.0km/s 対流胞 multi-scale structures 0.1-1Km/sec B>0 B<0 Dec.5, 2000 FDEPS No.2

太陽の基本構造 コロナ磁場 コロナ （太陽大気） 太陽黒点 100万度 光球面 6000度 対流層 核 放射層 Dec.5, 2000 FDEPS No.2

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 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 Dec.5, 2000 FDEPS No.2

太陽対流層とダイナモ 太陽黒点の起源を探る 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 Dec.5, 2000 FDEPS No.2

αΩダイナモ理論 運動学的ダイナモモデル ２スケール理論 α効果 Ω効果 kinetic helicity current helicity 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 B v b Dec.5, 2000 FDEPS No.2

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) Dec.5, 2000 FDEPS No.2

回転球殻対流ダイナモ 3次元シミュレーション シミュレーションの成果 Busse column しかし、 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！ Dec.5, 2000 FDEPS No.2

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 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＊ 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 Dec.5, 2000 FDEPS No.2

αΩーDynamo (Gilman & Charbonnea1999) NH >0 NH <0 NH <0 Dec.5, 2000 FDEPS No.2

観測との不一致 微分回転構造 ヘリシティの符号 シミュレーションと観測の不一致 （分解能の限界？） 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) Dec.5, 2000 FDEPS No.2

Turbulent Simulation Miesch et al. (2000, ApJ) Ra/Rc=5.4,Ta=2.5x104, 98x64x128 Ra/Rc=100,Ta=1.0x106, 98x256x512 Dec.5, 2000 FDEPS No.2

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) Dec.5, 2000 FDEPS No.2

Compressible Model Nishikawa & Kusano (2000) Initial condition Boundary condition Dec.5, 2000 FDEPS No.2

Transition to zonal convection RaRcritical Ra3Rcritical c=2 c=10 Dec.5, 2000 FDEPS No.2

太陽対流層のまとめ 観測 シミュレーション 微分回転の局所化 子午面大規模循環 Helicity > 0 in NH (?) ＞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。 Dec.5, 2000 FDEPS No.2

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 Dec.5, 2000 FDEPS No.2

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 Dec.5, 2000 FDEPS No.2

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。 「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。 Dec.5, 2000 FDEPS No.2

磁気リコネクション 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。 2d 磁場 (-B) Dec.5, 2000 FDEPS No.2

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？ high energy state low energy state L/Vp ~3x104sec time free energy ExB Tflare ~10sec Vp~ 0.1Km/sec L~3x104Km Dec.5, 2000 FDEPS No.2

Dynamics No equilibrium Loss of equilibrium Instability Dec.5, 2000 FDEPS No.2

Loss of equilibrium Forbes & Priest (1995) 2D MHD simulation Dec.5, 2000 FDEPS No.2

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 Dec.5, 2000 FDEPS No.2

線形force-free状態 円柱解 分岐解 Bessel関数モデル J RFP実験 B Il0 :結合関数 Il=0 :非結合関数 分岐解　 J RFP実験 double mode state single mode state B (Yoshida,Giga 1990) Il0 :結合関数 Il=0 :非結合関数 Dec.5, 2000 FDEPS No.2

Aspect ratio: a=Lz/Ly, b=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. Lx Ly Lz Aspect ratio: a=Lz/Ly, b=Lx/Ly Dec.5, 2000 FDEPS No.2

コロナ磁場の最小エネルギー理論(Kusano 1995) single mode state double mode state (m0,n0) (m0,n0)+(m1,n1) m1n1<λ 相互ヘリシティから 自己ヘリシティへ Dec.5, 2000 FDEPS No.2

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 Dec.5, 2000 FDEPS No.2

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) Lx Lz (=20) (256 points) (32 Fourier modes) Ly (=1) (128 points) Dec.5, 2000 FDEPS No.2

シミュレーション結果 (2D) Dec.5, 2000 FDEPS No.2

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。 ＥxＡ 磁気ヘリシティ 水量 磁気ヘリシティ 水量 磁気圧 重力 磁気張力 表面張力 Dec.5, 2000 FDEPS No.2

リミット･サイクル Flare! Helicity ejection Magnetic Arcade Instability Reconnection Flare! Energy Relaxation Enegy supply Helicity injection helicity input output diffusion Dec.5, 2000 FDEPS No.2

３Ｄシミュレーション (電流層) compact arcade (Lx=5) long arcade (Lx=10) Dec.5, 2000 FDEPS No.2

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. 2D total (0,1) (0,0) other (1,0) 3D Lx=5 3D Lx=10 Lx=10 2D Lx=5 Dec.5, 2000 FDEPS No.2

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 Dec.5, 2000 FDEPS No.2

Equilibrium (rot B = a B) 実データシミュレーション計画 observations virtual reality 3D field Equilibrium (rot B = a B) boundary field (V & E) 3D MHD equations Dec.5, 2000 FDEPS No.2

Boundary Correlation Tracking B+ B- V (by Yokoyama, NAOJ) Dec.5, 2000 FDEPS No.2

Initial condition Nonlinear Force-Free Field Dec.5, 2000 FDEPS No.2

References 太陽対流層の数値シミュレーション 運動学的ダイナモモデル計算 太陽磁場のヘリシティ分布（観測） 太陽フレアの観測と理論 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/ Dec.5, 2000 FDEPS No.2