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研究会 SOLAR-B時代の太陽シミュレーション 浮上磁場に伴う フィラメント形成と放出過程 の3次元シミュレーション 能登谷 瞬（東大・横山研） フィラメント放出 数時間のタイムスケールで ねじれた管の形を保ち ながら軸と垂直方向に噴出 数百キロの速さ （コロナアルフベン速度の 数十パーセント） 足元にアーケード状の構造 フィラメント放出に関する観測 Feynman & Martin（１９９５）の研究 フィラメントが存在する領域に太陽の光球面下から 浮上磁場が 観測された２２例のうち、１７例が放出される 観測されない３１例のうち５例しか放出されない 浮上磁場の出現に伴いフィラメントの放出がおこりやすい。 この観測より 浮上磁場がコロナ磁場周辺に現れた場合、 放出されやすい傾向。 本研究のモチベーション 浮上磁場によるフィラメントの放出 Feynman & Martin などの観測解析から フィラメント放出現象は浮上磁場がコロナ磁場との相互作用に よって起きていることが推測される。 ではフィラメント放出現象に浮上磁場はどのように 関わってくるのか 本研究では３次元MHDシミュレーションによって 対流層からコロナ中まで浮上磁場が上昇する様子を再現し、 コロナ磁場に与える影響を調べ、どのようなプロセスによって フィラメントが放出されるのかを見ていく。 シミュレーションの先行研究 線：磁力線 色：温度 Chen & Shibata 2000 2次元フィラメント の浮上磁場に伴う放 出過程を再現 ただし、2次元では フィラメントの足元は なく放出されやすい。 シミュレーションのモデル 断面図 は温度 6万キ ロ コロナ 矢印は磁力線 の向き 対流層~遷移層 1 100 アーケード構造のコロナ磁場（フィラメント放出に伴いよく観測される） 対流層に強くひねられた磁束管（対流の運動によるひねり） 単純なケースとしてアーケード磁場と磁束管が隣接した場合 10万キロ 1 100 アーケード磁場：磁気中性線に対して平行に近い （太陽のフィラメント構造から推測） 磁束管：右回りで軸方向に約12H0(3000km)進むと1巻き の部分に擾乱を与えることで磁束間の浮上を励起 方程式と境界条件 抵抗、重力が入ったMHD方程式 （粘性、熱伝導はなし） スキームは Modified Lax-Wendroff 抵抗は 異常抵抗モデルを使用 （電流の強い所で抵抗値があがる） 境界条件は X、Y平面に関しては自由境界条件 Z平面下側境界は対称境界条件 Z平面上側境界は自由境界条件 ただし、Z平面下側以外はdamping領域を含む （遠くにとる） シミュレーションの結果 1:浮上磁場の上昇と膨張過程 黄：浮上磁場の磁力線 上昇 下降流 中心部分に擾乱を受けた 磁束管はパーカー不安定 （磁気浮力）によって上昇。 コロナに達すると大きく 膨張する。 2,3:磁気浮上 からフィラメント 放出まで 緑：リコネクションしない 磁力線（下向きの力） オレンジ：リコネクション をして長い磁力線に変化 （上向きの力） 青：対流層から浮上した 磁力線 2:アーケード磁場の変化 緑：リコネクションしない 磁力線（下向きの力） オレンジ：リコネクション をして長い磁力線に変化 （上向きの力） 青：対流層から浮上した 磁力線 黄：電流シート アーケード構造の足元の 磁力線は浮上磁場の膨張 に伴い半平行成分が近づく ことで電流シートを形成 （リコネクションの開始） 3-1:フィラメント形成過程 形成された電流シートおいて リコネクションが起き、 ひねられた磁力線の形成される。 （フィラメント構造） 3-2:フィラメント放出過程 リコネクションした磁力線は 周囲の磁力線を引き伸ばして 上昇していく。 リコネクションに伴って 電流シートが散逸される。 リコネクション過程 観測との類似性 コロナの下にあった冷たい物質が フィラメント放出に伴い持ち上げられる 電波で見たフィラメント放出 （異なる時間の重ね合わせ） プラズモイド領域は 放出過程において 高さ９万キロで コロナアルフベン速度の ～３０％にまで加速 （９万キロ） 高さ（左軸） 速度（右軸） （３１２０秒） （５２００秒） アーケードの 磁場エネルギー（左軸） 運動エネルギー（右軸） 磁場のエネルギーが放出 されるフィラメントの 運動エネルギーに変換 緑：浮上磁場の膨張による エネルギー蓄積 青：アーケード磁場の放出に 伴いエネルギー解放 （２０８０秒） （５２００秒） これまでの研究の結果 ３次元ＭＨＤシミュレーションによって浮上磁場に伴うフィラメントの 形成と放出過程をはじめて再現された。 浮上磁場の膨張過程においてアーケード磁場の形状が おおきく歪められることで磁場のエネルギーが蓄えられ、 リコネクションの進行と共にそのエネルギーが解放され、 フィラメントの放出エネルギーになることがわかった。 これらの結果は浮上磁場がコロナ磁場のエネルギー源となり フィラメントの形成や放出過程にリコネクションプロセスを通して 重要な役割を果たすと言える。 今後の課題 １．他のパラメータの効果の検証 フィラメント形成や放出過程がどのような場所や条件で起こるのか？ （例えば、浮上磁場とアーケード磁場の位置関係など） ２．リコネクション過程の検証 リコネクション領域にグリッドを細かく配置した場合、 グローバルな現象が変化しないか？ ３．放出後の現象の追跡 空間、及び時間範囲を広くとることで、フィラメントの放出後の 現象を長く追いかける。フィラメントはどこまでも放出するの か？ ４．実データによるシミュレーション 実データによるコロナ磁場でもフィラメントの形成、放出過 程は起こるのか？ 現在シミュレーション１ケースに付き 120 node 時間（宇宙研SX6： 4node*10hour*3times） ２．リコネクション過程の検証 リコネクション領域にグリッドを細かく配置した場合、 グローバルな現象が変化しないか？ グリット間隔 dy ~ 2 dy ~ 0.5 (50<y<100) グリット数 jx = 261 jx = 411 必要ノード時間 ~190 node 時間 リコネクション過程が 速く進むことで放出速度など に影響が出るかもしれない。 ３．放出後の現象の追跡 空間、及び時間範囲を広くとることで、フィラメントの放出後の 現象を長く追いかける。フィラメントはどこまでも放出するの か？ 高さ（ｚ） Zmax=440 (10^5km) Zmax=880 (2*10^5km) グリット数 kx = 388 kx = 438 ステップ数 nstep = 55994 (tend=194) nstep ~ 150000 (tend ~ 226) 必要ノード数 ~360 node 時間 （９万キロ） 高さ（左軸） 速度（右軸） （３１２０秒） （５２００秒） コロナ質量放出 惑星間空間へ太陽の プラズマ物質が突発的に 放出される現象 フィラメントの放出に 伴ってしばしば太陽の 遠方で観測され、 因果関係強い シミュレーション結果の流れ １．浮上磁場の上昇及び膨張過程 対流層で擾乱を受けた磁束管が磁気不安定性 によって上昇、光球面を通り、コロナに達すると膨張。 ２．浮上磁場の膨張に伴うコロナアーケード磁場の変化 コロナ中に存在するアーケード磁場が浮上磁場の 膨張によって歪められその内部に電流シートを形成。 ３．フィラメント構造の形成と放出過程 電流シート内でアーケード自身のリコネクションが起こり、 フィラメント構造が形成される。 さらにリコネクションが進むと放出過程に至る。 １は一時間、２,３は数十分のタイムスケールで起こる 2:アーケード磁場の変化 緑：リコネクションしない 磁力線（下向きの力） オレンジ：リコネクション をして長い磁力線に変化 （上向きの力） 青：対流層から浮上した 磁力線 黄：電流シート アーケード構造の足元の 磁力線は浮上磁場の膨張 に伴い半平行成分が近づく ことで電流シートを形成 （リコネクションの開始） フィラメント 数万～数十万キロ １００万度のコロナに比べて 数万度程度で冷たく密度 大きい。 磁場によって安定に 支えられている。 プラズモイド領域 に注目 左図：磁束管の中心 付近の断面図 3次元のフィラメントは 2次元断面図において 閉じた磁力線として描かれる プラズモイドに働く力 磁気張力のｚ成分 破線は 初期値 プラズモイド領域の上昇は 磁気張力によって抑えられ 磁気圧勾配によって駆動される 磁気圧勾配のｚ成分 浮上磁場が弱い他ケースとの比較 B=30 ポインティングフラックス によってコロナに入る エネルギー B=24 B=18 浮上磁場そのもの が持つエネルギー （２６００秒） （５２００秒） 残りのエネルギーはコロナ磁場 のエネルギーなどに蓄えられる （２６００秒） （５２００秒） 放出過程までに至る二つのケースの比較 速度の比較 B=30 B=24 （９万キロ） 高さの比較 （３６４０秒） （５２００秒） 浮上磁場の強さを弱くすると 放出速度も減る。 （３６４０秒） （５２００秒） B=30 B=18 B=24 浮上磁場が弱くなると アーケード磁場の変化 が小さくなり、 リコネクション過程が 進みにくい。 アーケードの 磁場エネルギーの比較 B=30 B=24 B=18 アーケードの 運動エネルギーの比較 （２６００秒） （５２００秒） 浮上磁場が弱くなると アーケードに蓄えられる 磁場のエネルギーが減り、 放出過程が弱くなる。 （２６００秒） （５２００秒） 大気構造 対流層 光球 Log スケール コロナ Temperature 光球面でのそれぞれの 物理量を基準としている Magnetic pressure 光球付近からコロナへ 温度が急激に変化（１００倍） コロナでは 磁気圧がガス圧よりも優勢で 磁場が支配 Gas pressure Density （高さ） アーケードの幅Ｌが広い 他ケースとの比較 B=30, L=80 ポインティングフラックス によってコロナに入る エネルギー L=100 L=120 浮上磁場そのもの が持つエネルギー （２６００秒） （５２００秒） 残りのエネルギーはコロナ磁場 のエネルギーなどに蓄えられる （２６００秒） （５２００秒） B=30,L=80 L=100 L=120 アーケード構造の幅が広くなると 電流シートの形成が難しくなり リコネクション過程に至るのに 時間がかかる リコネクションが起こらないケース でも膨張によって蓄えられた エネルギーは解放される。 磁場エネルギーの比較 L=80 L=100 L=120 運動エネルギー の比較 （２６００秒） （５２００秒） 放出過程に入るとエネルギー 解放率に違いが出て、 運動エネルギーにも違いが出る。 （２６００秒） （５２００秒） 放出過程までに至る二つのケースの比較 L=80 速度の比較 L=100 （９万キロ） 高さの比較 （３６４０秒） （５２００秒） アーケードの幅が広い場合 放出されるアーケードが 大きいため同じ運動エネルギー でも速度が落ちる （３６４０秒） （５２００秒） 横の境界による影響 Ymax=197 速度の比較 Ymax=166 （９万キロ） 高さの比較 （３６４０秒） （５２００秒） 境界を近くにしても放出過程 にほとんど差がみられない。 （３６４０秒） （５２００秒） The Model of the Flux Tube xˆ b( z z 0 )yˆ b( y y 0 )zˆ B B0 1 (br ) 2 2b B B J B 0 ( force free) 2 1 (br ) 17 k gauss twisted in a right handed way y 0 0 z 0 14 B 0 30 r0 4 b 0.5 B02 1 Ptube ( z ) P( z ) 8 1 (br0 ) 2 tube ( z ) out ( z ) Ttube ( z ) Tout ( z ) The Model of the Arcade Field L 2 0.5 y z / a Bx (1 ( ) ) Barc cos e a L L y z / a By Barc cos e a L y z / a Bz Barc sin e ( force free) L pairs of ( B x , B y , B z ) (,,), (,,), (,,), (,, ) H a ln cos( y 0 L ) By Bx (( a L ) 2 1) 0.5 異常抵抗モデル for v d v c 0 2 ( v d / v c 1) for v d v c Vd J / 0.01 (Vd J / en) v c 10000 max 1 units Length Velocity Temperature Time Density Pressure Hp k BT p 3.1107 [cm] 310 [km] mg p Csp ( P ) 0.5 p ( k BT p mg p ) 0.5 12 [km/s ] Tp 10 4 [K ] Hp Csp 26 [s] p 1.7 10 7 [g/cm 3 ] Pp 2.4 105 [dyn/cm 2 ] Magnetic Field (Pp ) 0.5 490 [gauss ] Energy Density Ppho n phok BTpho 2.3 105 [ergs/cm 3 ]