磁気リコネクションによる Alfven波の発生 太陽コロナ波動加熱勉強会(2004.2.23) 磁気リコネクションによる Alfven波の発生 木暮宏光1 共同研究者:柴田一成1、野澤恵2、高橋邦生2 他(シミュレーションサマースクールのメンバー) 1.京都大学、2.茨城大学
イントロ(1) コロナ加熱問題: スモールスケールの磁場の活動性(nanoflare,Parker 1988) Vs 波動加熱 依然として決着はつかず… (heating flux F∝B1~2 for nanoflare model, F∝B1 for Alfven wave model; cf. Yashiro & Shibata 2001) 波動加熱説に着目してみると…
イントロ(2) ー波動加熱説ー 波動加熱:非一様なコロナ(高温のcoronal loop→磁力線に対応; cf. Poletto et al. 1975)。磁力線に沿って伝わる電磁流体的波動が有力。 Slow-mode wave:磁力線に沿った方向に伝わる。圧縮性の波なのでShockを作ってすぐに熱化してしまうかも。でもコロナ下部の加熱には効きそう。 Alfven-mode wave:非圧縮の横波。散逸しにくいのでコロナ上部の加熱に効きそう。散逸メカニズムに関してはKudoh & Shibata 1999に挙げられたreferenceやParker 1991, Moore et al. 1992を参照。
イントロ(3) ー波動加熱説ー Kudoh & Shibata 1999 Alfven wave→nonlinear coupling→slow-mode wave & fast-mode wave→spicules energy fluxはコロナ加熱に必要な3.0x105ergs s-1 cm-2 (Withbore & Noyes 1977)以上で、Alfven waveはそれに支配的な寄与を与えている。 Moriyasu et al. 2004 熱伝導、放射冷却込みのflux loopのシミュレーション→loopは100万度まで加熱される。さらには観測されるX線強度の時間変動を再現。
イントロ(4) 初期摂動の発生原因 1. Random motion (Kudoh & Shibata 1999, Saito et al. 2001,Moriyasu et al. 2004) ←数km/sの運動。 2. Reconnection (Yokoyama 1998, Takeuchi & Shibata 2001a,b) Reconnectionはnanoflare modelにおける磁気エネルギー解放機構。だからReconnectionを原因とする波動加熱とnanoflare modelとは無関係ではない。
イントロ(5) 完全反平行な磁力線によるreconnection→Alfven波は発生しない。
イントロ(6) ReconnectionによるAlfven wave, Slow-mode waveの発生を調べたシミュレーション。 Yokoyama 1998 Alfven波のエネルギーはリコネクションによって解放された磁気エネルギーの3%。(Shibata & Moriyasu 2003では10~20%と書いているが…) Takeuchi & Shibata 2001a,b slow-modeとAlfven-modeのEnergy FluxはFslow:Falfven = 100:1とか10:1
イントロ(7) ー本研究でやった事ー 前のスライドで挙げたシミュレーションは実際の太陽大気をモデリングした初期条件。しかし磁気シアーはある限られた場合のみ。 初期条件は簡単化。しかし磁気シアーのパラメータを幾つか試した。そしてAlfven wave、Slow-mode waveによるenergy fluxのパラメータ依存性を調べた。
数値計算の概要(1) CANS(Coordinated Astronomical Numerical Software)を使用。計算スキームはModified Lax-Wendroff法。 2.5次元のresistive MHD方程式を数値的に解く。
数値計算の概要(2) 計算領域は-13.1<x<13.1, -36.3<y<36.3 (グリッド数は603x1003)。 境界条件は全て周期境界。 (だからエネルギーは保存 している) 散逸領域 周期境界 上記の形の抵抗をr<rηに与えた。ここでη0=0.1, rη=1.0。
数値計算の概要(3) ー初期条件ー Yokoyama & Shibata 1997と同じ形の抵抗。 磁気レイノルズ数Rmは 初期のプラズマβ分布 Yokoyama & Shibata 1997と同じ形の抵抗。 磁気レイノルズ数Rmは Rm=VAL/η~1.1・72.6/0.1 ~800 プラズマβは計算領域のほぼ全域で0.08。
数値計算の概要(4) θ Θが0,10,20,30,40,45,50,60,70,80,90の場合について計算を行った。 磁気シアーを与える以外は初期条件は対称。
結果(1) ーMovieー movie 0° 10° 20° 30° 40° 45° 50° 60° 70° 80° 90° Log(P) Click C C C C C C C C C C Bz C C
結果(2) ー磁気エネルギーの解放ー 計算領域中の磁気エネルギーの初期からの差の時間変化。 黒:0°、赤:10°、ピンク:20°黄:30°、橙:40°、水色:45°青:50°、緑:60°、茶色:70°灰:80°、金:90°
結果(3) ーEnergy Fluxー 右の式の計算をy=±5.0で行って、Fluxを求めた。
結果(4) 各エネルギー流束は解放された磁気エネルギーのどれほどの割合なのか? 黒:Alfven waveのenergy flux 赤:Slow-mode waveのenergy flux 75°の時最大でそれぞれ33.8%と37.4%であった(一方向に伝わるもののみカウントするならばその半分)。
結果(5) 反平行からずれるにしたがって、解放される磁気エネルギーは減少。その効果を考慮して、完全反平行の場合に解放される磁気エネルギーに対する割合を計算。 黒:Alfven wave 赤:Slow-mode wave Alfven waveは70°の時に8.4%で最大。 Slow-mode waveは60°の時に9.1%で最大。
Summary(1) 非対称リコネクションの2.5次元MHDシミュレーションを行った。 リコネクションによりAlfven wave, Slow-mode waveが生成され、各波は解放された磁気エネルギーの一部を運んでいた。 磁気シアーに対して、75°まではきれいな角度依存性を示した。それ以上の磁気シアーに対しては2.5次元の制限があるため、厳密なことはいえないと考えられる。
Summary(1) Alfven wave, Slow-mode waveの運ぶenergy fluxは磁気シアーが75°の時が最大で、それぞれ解放されたエネルギーの33.8%、37.4%となった(一方向に伝わる量はその半分)。 磁気シアーが大きくなるにつれて解放される磁気エネルギーの量は減少する。磁気シアーがない場合に解放される磁気エネルギーに対しての割合を見ても、Alfven wave, Slow-mode waveともに最大で10%程度のエネルギーを運んでいることがわかった。 エネルギーインプットを仮定しての計算に示唆を与える結果といえるかも。
補足 Takeuchi & Shibata 2001a,bではP0Cs~1011 ergs cm-2 s-1として、Alfven wave, Slow-mode waveのenergy fluxをそれぞれ109,1010 ergs cm-2 s-1と見積もった。 同様に考えると、今回の計算ではP0Cs=0.6 (|x|>2くらい)~1.2 (x = 0.0)であるので、だいたい1010~1011 ergs cm-2 s-1に相当。ただし初期条件の分布が単純であることに注意。