Ανάδυση μαγνητικής ροής στον ήλιο, ηλιακοί πίδακες και στεμματικές εκτινάξεις μάζας

Abstract

This is the PhD Thesis of Petros Syntelis on the topic of “Magnetic flux emergence, solar Jets and Coronal Mass Ejections”. The PhD program is offered by the National and Kapodestrian University of Athens, in the School of Science, at the Faculty of Physics. In the first part of this dissertation, we study the emergence of a non-twisted flux tube from the solar interior into the solar atmosphere. We investigate whether the length of the buoyant part of the flux tube (i.e. λ) affects the emergence of the field and the dynamics of the evolving magnetic flux system. We perform three-dimensional (3D), time-dependent, resistive, compressible MHD simulations using the Lare3D code. We find that there are considerable differences in the dynamics of the emergence of a magnetic flux tube when λ is varied. In the solar interior, for larger values of λ, the rising magnetic field emerges faster and expands more due to its lower magnetic tension. As a result, its field strength decreases and its emergence above the photosphere occurs later than in the smaller λ case. However, in both cases, the emerging field at the photosphere becomes unstable in two places, forming two magnetic bipoles that interact dynamically during the evolution of the system. Most of the dynamic phenomena occur at the current layer, which is formed at the interface between the interacting bipoles. We find the formation and ejection of plasmoids, the onset of successive solar jets from the interface, and the impulsive heating of the plasma in the solar atmosphere. We discuss the triggering mechanism of the jets and the atmospheric response to the emergence of magnetic flux in the two cases. The second part of this dissertation deals with the study of Coronal Mass Ejections (CMEs). In our first study on CMEs, we investigate the initiation and formation of CMEs via a detailed two-viewpoint analysis of low corona observations of a relatively fast CME acquired by the SECCHI instruments aboard the STEREO mission. The event which occurred on 2 January 2008, was chosen because of several unique characteristics. It shows upward motions for at least four hours before the flare peak. Its speed and acceleration profiles exhibit a number of inflections which seem to have a direct counterpart in the GOES light curves. We detect and measure, in 3D, loops that collapse toward the erupting channel while the CME is increasing in size and accelerates. We suggest that these collapsing loops are our first evidence of magnetic evacuation behind the forming CME flux rope. We report the detection of a hot structure which becomes the core of the white light CME. We observe and measure unidirectional flows along the erupting filament channel which may be associated with the eruption process. Finally, we compare these observations to the predictions from the standard flare-CME model and find a very satisfactory agreement. In our second study on CMEs, we made a spectroscopic analysis of the pre-eruptive configuration of active region NOAA 11429, prior to two very fast CMEs on March 7, 2012 associated with this active region. We study the thermal components and the dynamics associated with the ejected flux ropes. Using Differential Emission Measure (DEM) analysis of Hinode/EIS and SDO/AIA observations, we identify the emission components of both the flux rope and the host active region. We then follow the time evolution of the flux rope emission components by using AIA observations. The plasma density, Doppler and non-thermal velocities associated with the flux ropes are also calculated, from the EIS data. The East and West part of the active region, from which the two different fast CMEs originated during two X-class flares, were stud- ied separately. In both regions we identified an emission component in the temperature range of log T = 6.8 − 7.1 associated with the presence of flux ropes. The time evolution of the East region showed an increase of the mean DEM in this temperature range by an order of magnitude, 5 hours prior to the first CME. This was associated with a gradual rise and heating of the flux rope as manifested by blue-shifts and increased non-thermal velocities in Ca XV 200.97Å, respectively. An overall upward motion of the flux ropes was measured (relative blue-shifts around ≈ 12 km/s ). The measured electron density, was found to be 4 × 10^9 − 2 × 10^19 cm^-3 (using the ratio of Ca XV 181.90Å over Ca XV 200.97Å). We compare our findings with other works on the same AR to provide a unified picture of its evolution. In our third study on eruptions, we report on three-dimensional MHD simulations of recurrent small scale CME-like eruptions using flux-emergence simulations and study their formation and eruption mechanism. These eruptions have the size and energies of small prominence eruptions. The erupting flux ropes are formed due to the reconnection of J-loops (formed by shearing and rotation) and are located inside torus unstable magnetic envelope field. The flux ropes eruptions are triggered by the action of a tension removal mechanism, such as the typical tether-cutting where the envelope field reconnects with itself. Another side tether-cutting is also found. There, the envelope field reconnected with the J-loops. We report that the different tension removal mechanisms produce different temperature, density and velocity distributions inside the erupting structures. Simulations with smaller magnetic field strength indicate that the torus unstable flux ropes lead to confine eruptions. Extrapolations of the erupting structures show that these eruptions have the potential to have the size of small CMEs. Simulations of higher magnetic energy flux tubes showed that the kinetic energies of these eruptions can also increase to reach the energies of small sized CMEs. The present thesis is structured as follows. Chapter 1 presents a brief introduction to Solar Physics and introduces the topic of the thesis. Then, the thesis is divided in two parts. Part I has to do mostly with flux emergence. Chapter 2 gives a brief introduction to the theory of magnetohydrodynamics and then chapter 3 introduces the theoretical basis of magnetic flux emergence. In chapter 4 we present our results on the non-twisted flux tube emergence. Part II id dedicated to CMEs and solar eruptions. In chapter 5 we give a brief introduction to the observations and theory of CMEs. In chapter 6 we present our results on the initiation of a CME from NOAA 10980 using STEREO data. In chapter 7 we present our results on the pre-eruptive configuration of NOAA 11429 prior to the ejection of two very fast CMEs. Finally, in chapter 8 we present our results on the nature of recurrent eruptions.

Το παρόν κείμενο αποτελεί την διδακτορική διατριβή του φοιτητή Συντελή Πέτρου του Τμήματος Φυσικής της Σχολής Θετικών Επιστημών του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών, στο αντικείμενο της Ηλιακής Φυσικής. Το θέμα της διατριβής είναι η ανάδυση της μαγνητικής ροής στον Ήλιο, οι ηλιακοί πίδακες και οι στεμματικές εκτινάξεις μάζας. Στην εργασία αυτή μελετήσαμε αρχικά την ανάδυση μη συνεστραμμένων σωλήνων μαγνητικής ροής από το εσωτερικό του Ήλιου στην ηλιακή ατμόσφαιρα. Διερευνήσαμε το ρόλο που έχει το μήκος όπου ο σωλήνας ροής δέχεται τη δύναμη της μαγνητικής άνωσης στην διαδικασία της ανάδυσης (παράμετρος λ) και στην εξέλιξη της δυναμικής του συστήματος. Για την ανάλυση αυτή, πραγματοποιήσαμε τριδιάστατες, χρονοεξαρτώμενες, με ειδική αντίσταση και συμπιεστές μαγνητοϋδροδυμαικές προσομοιώσεις με χρήση του αριθμητικού κώδικά Lare3D. Βρήκαμε σημαντικές διαφορές στη δυναμική της ανάδυσης των μαγνητικών σωλήνων ροής με την μεταβολή του λ. Στο ηλιακό εσωτερικό, για μεγαλύτερες τιμές του λ, ο σωλήνας ροής αναδύεται πιο γρήγορα και διαστέλλεται περισσότερο λόγω της χαμηλότερης μαγνητικής τάσης του σωλήνα. Ως εκ τούτου, η ένταση του πεδίου μειώνεται και η ανάδυση πάνω από τη φωτόσφαιρα γίνεται αργότερα σε σχέση με την περίπτωση του μικρότερου λ. Και στις δύο περιπτώσεις, το πεδίο που αναδύεται στην φωτόσφαιρα γίνεται ασταθές σε δύο σημεία, σχηματίζοντας δύο μαγνητικά δίπολα που αλληλεπιδρούν δυναμικά κατά την εξέλιξη του συστήματος. Τα περισσότερα δυναμικά φαινόμενα συμβαίνουν σε ένα φύλλο ρεύματος που σχηματίζεται στην επιφάνεια διεπαφής ανάμεσα στους μαγνητικούς λοβούς που αλληλεπιδρούν. Στην επιφάνεια διεπαφής βρίσκουμε το σχηματισμό και την εκτίναξη πλασμοιειδών, την εκκίνηση πολλών ηλιακών πιδάκων, καθώς και τη θέρμανση του πλάσματος στην ηλιακή ατμόσφαιρα. Συζητούμε επίσης τον μηχανισμό της δημιουργίας των ηλιακών πιδά- κων και την ατμοσφαιρική απόκριση στην ανάδυση της μαγνητικής ροής των δύο συστημάτων. Το δεύτερο αντικείμενο μελέτης αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι οι Στεμματικές Εκτινάξεις Μάζας (Coronal Mass Ejections, CMEs). Το αντικείμενο αυτο εξετάσθηκε μέσα απο δύο μελέτες. Στην πρώτη μελέτη που πραγματοποιήσαμε στο ζήτημα αυτό, εξετάσαμε την εκκίνηση και το σχηματισμό μιας CME κάνοντας μια λεπτομερή ανάλυση παρατηρήσεων στο χαμηλό ηλιακό στέμμα μιας σχετικά ταχείας CME. Οι παρατηρήσεις είναι από δύο οπτικές γωνίες και προέρχονται από το όργανο SECCHI της αποστολής STEREO. Το γεγονός που μελετάμε καταγράφηκε στις 2 Ιανουαρίου 2008, και επιλέχθηκε λόγω των αρκετών ιδιαίτερων χαρακτηριστικών του. Η CME κινείται ανοδικά τουλάχιστον τέσσερις ώρες πριν από την κορύφωση της ηλιακής έκλαμψης. Το προφίλ της ταχύτητας και της επιτάχυνσης παρουσιάζουν έναν αριθμό από διακυμάνσεις που φαίνεται να συσχετίζονται με την μεταβλητότητα της καμπύλης φωτός του GOES. Ανιχνεύουμε και μετρούμε την τριδιάστατη κατάρρευση ηλιακών βρόχων προς την περιοχή του εκρηκτικού νήματος κατά την διάρκεια της ανοδικής κίνησης και επιτάχυνσης του CME. Προτείνουμε ότι αυτοί οι βρόχοι που καταρρέουν είναι η πρώτη ένδειξη μαγνητικής εκκένωσης της περιοχής πίσω από το σχηματιζόμενο μαγνητικό σχοινί της CME. Αναφέρουμε την παρατήρηση μιας θερμής δομής που τελικώς γίνεται ο πυρήνας του πυρήνα λευκού φωτός του CME. Παρατηρούμε και ροές προς δύο κατευθύνσεις κατά μήκος του εκρηκτικού νήματος που μπορεί να σχετίζονται με την εκρηκτική διαδικασία. Τέλος, συγκρίνουμε τα αποτελέσματά μας με τις προβλέψεις από το καθιερωμένο μοντέλο εκλάμψεων-CME και βρίσκουμε πολύ καλή συμφωνία. Καταλήγουμε ότι το καθιερωμένο μοντέλο απεικονίζει αξιόπιστα τα αρχικά στάδια μίας CME. Στη δεύτερη μελέτη που κάναμε πάνω στο ζήτημα των CMEs, χρησιμοποιήσαμε φασματοσκοπικά δεδομένα για την ανάλυση της προεκρηκτικής δραστηριότητας του κέντρου δράσης ΝΟΑΑ 11429 δώδεκα ώρες πριν την εκτίναξη δύο ταχέων CMEs στις 7 Μαρτίου 2012 από το κέντρο αυτό. Μελετήσαμε τις θερμικές συνιστώσες και τη δυναμική που σχετίζεται με τα μαγνητικά σχοινιά. Πραγματοποιήσαμε ανάλυση Differential Emission Measure (DEM) από παρατηρήσεις των Hinode/EIS και SDO/AIA. Ανιχνεύσαμε τις συνιστώσες εκπομπής των δύο μαγνητικών σχοινιών και του κέντρου δράσης. Στη συνέχεια ακολουθήσαμε τη χρονική εξέλιξη της εκπομπής των μαγνητικών σχοινιών χρησιμοποιώντας τις παρατηρήσεις του AIA. Υπολογίσαμε επίσης την πυκνότητα πλάσματος, την ταχύτητα Doppler και τις μη-θερμικές ταχύτητες που σχετίζονται με τα μαγνητικά σχοινιά από τα δεδομένα του EIS. Η Ανατολική και Δυτική περιοχή του κέντρου δρά- σης, από τις οποίες προήλθαν οι δύο ταχείες CMEs κατά τη διάρκεια δύο εκλάμψεων τύπου Χ, μελετήθηκαν ξεχωριστά. Και στις δύο περιοχές, ανιχνεύσαμε μια συνιστώσα εκπομπής στο θερμο- κρασιακό εύρος log T = 6.8 − 7.1. Η χρονική εξέλιξη της Ανατολικής περιοχής έδειξε μια αύξηση στο μέσο DEM αυτού του θερμοκρασιακού εύρους κατά μια τάξη μεγέθους, 5 ώρες πριν την εκτίναξη του πρώτου CME. Αυτή η αύξηση συσχετίστηκε με την σταδιακή άνοδο και θέρμανση του μαγνητικού σχοινιού, όπως υποδηλώνεται από τις μετατοπίσεις προς το κυανό και τις αυξημένες μη-θερμικές ταχύτητες στο Ca XV 200.97Å. Μετρήθηκε μια γενική ανοδική κίνηση (σχετικη μετα- τόπιση προς το κυανό ≈ 12 km/s). Η πυκνότητα ηλεκτρονίων βρέθηκε να είναι4 × 10^9 − 2 × 10^19 cm^-3 (χρησιμοποιώντας τον λόγο Ca XV 181.90Å ως προς Ca XV 200.97Å). Συγκρίνουμε τα απο- τελέσματά μας με άλλες εργασίες από το ίδιο κέντρο δράσης για να δώσουμε μια ενοποιημένη εικόνα του κέντρου δράσης και της εξέλιξής του. Το τελευταίο αντικείμενο που ερευνήσαμε στην διατριβή αυτή ήταν η μελέτη των φυσικών διερ- γασιών που προκαλούν τις μικρής κλίμακας εκρήξεις που συμπεριφέρονται σαν CME (CME-like). Για την ανάλυση αυτή, πραγματοποιήσαμε τριδιάστατες, χρονοεξαρτώμενες, με ανώμαλη ειδική αντίσταση και συμπιεστές μαγνητοϋδροδυμαικές προσομοιώσεις με χρήση του αριθμητικού κώδικά Lare3D, μοντελοποιώντας επαναλαμβανόμενες CME-like εκρήξεις. Οι εκτινάξεις αυτές έχουν μέγεθος και ενέργειες μικρών εκρηκτικών νημάτων. Τα μαγνητικά σχοινιά που πρόκειται να εκτιναχθούν δημιουργούνται από την επανασύνδεση των J-βρόχων (που έχουν σχηματιστεί από την κοινή δράση διατμητικών κινήσεων και περιστροφής). Το περιβάλλον πεδίο που δημιουργείται κατά την ανάδυση του αρχικού σωλήνα ροής είναι ασταθές στην αστάθεια Torus. Η εκτίναξη των μαγνητικών σχοινιών πυροδοτείται από την δράση ενός μηχανισμού αφαίρεσης μαγνητικής τάσης, όπως ο κλασσικός μηχανισμός tether-cutting, όπου το περιβάλλον πεδίο επανασυνδέεται με τον εαυτό του. Βρίσκουμε έναν ακόμα έναν μηχανισμός αφαίρεσης τάσης από την επανασύνδεση του περιβάλλοντος πεδίου με τους J-βρόχους. Αναφέρουμε ότι οι διαφορετικοί μηχανισμοί αφαίρεσης μαγνητικής τάσης έχουν ως αποτέλεσμα την διαφορετική κατανομή θερμοκρασίας, πυκνότητας και ταχυτήτων εντός των εκτινασσόμενων δομών. Προσομοιώσεις με χαμηλότερη ένταση μαγνητικού πεδίου δείχνουν ότι παρόλο που το περιβάλλον πεδίο είναι torus ασταθές οι εκτινάξεις καταλήγουν να είναι έγκλειστες. Παρεκτάσεις των εκρηκτικών δομών δείχνουν ότι αυτές οι αυτές οι εκτινάξεις έχουν την δυναμική να γίνουν μικρές CMEs. Προσομοιώσεις με μεγαλύτερης ενέργειας μαγνητικούς σωλήνες δείχνουν ότι οι κινητικές ενέργειες αυτών των εκτινάξεων μπορούν να φτάσουν τις τιμές ενεργειών των CMEs μικρού μεγέθους. Η παρούσα διατριβή διαρθρώνεται στα παρακάτω κεφάλαια. Στο κεφάλαιο 1 δίνεται μια γενική εισαγωγή στο αντικείμενο της Ηλιακής Φυσικής, και με βάση αυτά εξηγείται και ο γενικός προσανατολισμός της διατριβής. Κατόπιν, η διατριβή χωρίζεται σε δύο μέρη. Στο μέρος I, αρχικά δίνονται βασικά στοιχεία της Μαγνητοϋδροδυναμικής θεωρίας (κεφ. 2) και στοιχεία της θεωρίας της ανάδυσης της μαγνητικής ροής (κεφ. 3). Στο κεφ. 4 δίνονται τα αποτελέσματά μας πάνω στο ζήτημα της ανάδυσης της μαγνητικής ροής ενός σωλήνα ροής με μηδενική συστροφή. Το μέρος II, έχει να κάνει με τις ηλιακές εκτήξεις και τις CMEs. Στο κεφ. 5 γίνεται μια σύντομη βιβλιογραφική αναφορά στα φαινόμενα αυτά από παρατηρησιακή και θεωρητική σκοπιά. Στο κεφ. 6 παρουσιάζονται τα αποτελέσματά μας στην μελέτη της εκκίνησης μιας CME από την NOAA 10980 με χρήση δεδομέων του STEREO. Στο κεφ. 7 παρουσιάζονται τα αποτελέσματά μας στην προε- κρηκτική φάση της NOAA 11429 πριν την εκκίνηση δύο ταχείων CMEs. Τέλος, στο κεφ. 8 δίνονται τα αποτελέσματα μας στην μελέτη της φύσης των επαναλαμβανόμενων εκρήξεων.