私たちの最も近い星である太陽は、磁場と相互作用するプラズマのボールです。この相互作用は、多くの魅力的で複雑なダイナミクスにつながります。目に見える太陽の黄色い円盤 (肉眼で直接見ることはできません) は、おおよそ、太陽大気の底を示しています。
太陽の大気では、磁場 (光球を通して出現する可能性があります) は、不安定になって噴火が発生するまで、波打たれ、ねじれ、剪断されます。これらの噴火は、それ自体が興味深いだけでなく、地球の人工衛星や電力網に干渉する可能性のある宇宙天気の基礎を形成します。したがって、プラズマの不安定性と噴出の基礎を理解することは、理論的および実践的に重要です。
この記事では、プラズマ物理学の古典的な不安定性であるテアリング不安定性に関する最近の新しい洞察をまとめています。テアリング不安定性が発生するには、電流シートと呼ばれる領域が必要です。この領域では、磁場が非常に小さな長さスケールで方向を変えます (図 1a を参照)。不安定性が発生すると、磁力線が「引き裂かれ」、再結合して磁気島から離れます (図 1b)。この不安定性は、太陽フレアの発火の重要な候補です。
Furthらの精力的な研究以来。 (1963)、テアリング不安定性の開始の成長率は、多くのソーラーアプリケーションにとって遅すぎると考えられてきました。近年、物理学者による新しい発見により、現在のシートの幅が臨界厚さに達すると、ティアリング不安定性の急速な段階が明らかになりました (例:Lourerio et al. 2007、Lapenta 2008、Pucci &Velli 2014)。
数学者の観点から見ると、テアリング不安定性の理論的分析は、これまで、不安定性の特定の段階のみに焦点を当ててきました。詳細には触れませんが、不安定性の開始を表す方程式は、「正常」または「非正常」のいずれかとして説明できます。通常のシステムの場合、固有値 (そのシステムに関連付けられた特性数) を見つけます。最大値は (測定方法によって異なります)、不安定性の成長率に対応します。これは、不安定性の開始を研究する古典的な方法です。非正規系の場合、固有値は不安定性の開始を完全には説明しません。代わりに、それらは大きな時間スケールでの動作を記述し、以前の時点での大幅な一時的な成長の可能性を説明していません.
テアリング不安定性を記述するために使用される基本的な (まだ複雑ですが) 方程式は、流体力学 (プラズマは導電性流体として扱われます) と電磁流体力学 (MHD) として知られる電磁気学の結合を表します。引き裂き不安定性の開始を記述する MHD 方程式は、非常に非正規です。したがって、これらの方程式の解は、大きな過渡エネルギー成長を示す可能性があります。そのような一時的な成長が存在する場合、システムの固有値のみを考慮して予測されるよりも速いダイナミクスにつながる可能性があります.
非正常なシステムが必然的に大きな一時的なエネルギー成長を生み出すわけではありません。もう 1 つの重要な要素は、現在のシートに課される初期摂動の形式です。最大の効果を示すために、すべてのタイプの初期摂動に対して最適化された最適なエネルギー成長を計算できます。図 2 は、特定の一連のパラメーターについて、ティアリング不安定性の開始に対する最適なエネルギー成長の例を示しています。
破線は、最大の固有値のみを考慮した場合の最適なエネルギー成長を表します (古典的な分析)。実線は、古典的な理論を超えて移動し、システムの非正規効果を含めた場合の最適なエネルギー成長を示しています。初期には、一時的な成長が非常に急速に上昇し、古典理論で予測されたものよりもはるかに多くのエネルギー成長を (一定時間内に) 生成します。その後、過渡挙動が減衰し、解が最大の固有値によって支配されるため、実線と破線は平行になります。
この種の分析が太陽大気に適用されたのはつい最近のことであり、これまでの分析では検出できなかったエネルギーの急速な成長を発見することで、太陽の不安定性と噴火についての理解を大幅に深める可能性があります。
参考文献:
- シートピンチの有限抵抗不安定性 (1963) Furth, H.P., Kileen, J., Rosenbluth, M.N., Phys.流体、6、459.
- 巨視的スケールでのセルフフィード乱流磁気リコネクション (2008)、Lapenta, G., Phys. Rev. Lett., 100, 235001.
- 電流シートの不安定性とプラズモイド鎖の形成 (2007)、Lourerio、N.F.、Schekochihin、A.A.、Cowley、S.C.、Phys.プラズマ、14、100703.
- 準特異電流シートの再接続:「理想的な」引き裂きモード (2014) Pucci, F., Velli, M., Astrophys. J. Lett., 780, L19.
- 非正規系の数学の詳細については、モノグラフを参照してください:
- Spectra and Pseudospectra (2005)、Trefethen、L.N. &Embree, M.、プリンストン大学出版局
これらの調査結果は、Solar Physics 誌に掲載された Current Sheets の Optimal Energy Growth というタイトルの記事で説明されています。この作業は、グラスゴー大学の David MacTaggart が主導しました。
