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Transverse, propagating velocity perturbations in solar coronal loops

I De Moortel, D J Pascoe, A N Wright, A W Hood2016年Plasma Physics and Controlled FusionIF 2.2出版社

As waves and oscillations carry both energy and information, they have enormous potential as a plasma heating mechanism and, through seismology, to provide estimates of local plasma properties which are hard to obtain from direct measurements. Being sufficiently near to allow high-resolution observations, the atmosphere of the Sun forms a natural plasma laboratory. Recent observations have revealed that an abundance of waves and oscillations is present in the solar atmosphere, leading to a renewed interest in wave heating mechanisms.This short review paper gives an overview of recently observed transverse, propagating velocity perturbations in coronal loops. These ubiquitous perturbations are observed to undergo strong damping as they propagate. Using 3D numerical simulations of footpoint-driven transverse waves propagating in a coronal plasma with a cylindrical density structure, in combination with analytical modelling, it is demonstrated that the observed velocity perturbations can be understood in terms of coupling of different wave modes in the inhomogeneous boundaries of the loops. Mode coupling in the inhomogeneous boundary layers of the loops leads to the coupling of the transversal (kink) mode to the azimuthal (Alfvén) mode, observed as the decay of the transverse kink oscillations. Both the numerical and analytical results show the spatial profile of the damped wave has a Gaussian shape to begin with, before switching to exponential decay at large heights. In addition, recent analysis of CoMP (Coronal Multi-channel Polarimeter) Doppler shift observations of large, off-limb, trans-equatorial loops shows that Fourier power at the apex appears to be higher in the high-frequency part of the spectrum than expected from theoretical models. This excess high-frequency FFT power could be tentative evidence for the onset of a cascade of the low-to-mid frequency waves into (Alfvénic) turbulence.

日本語訳

波と振動はエネルギーと情報の両方を運ぶため、プラズマ加熱機構として大きな可能性を秘めており、また地震学を通じて、直接測定が困難な局所的なプラズマ特性の推定手段を提供する。高分解能観測が可能なほど太陽に近接していることから、太陽大気は自然のプラズマ実験室を形成している。最近の観測により、太陽大気中に豊富な波と振動が存在することが明らかになり、波動加熱機構への関心が再び高まっている。本短報では、コロナループにおける横断方向に伝播する速度摂動の最近の観測について概説する。これらの普遍的な摂動は、伝播に伴って強い減衰を受けることが観測されている。円筒状の密度構造を持つコロナプラズマ中を伝播する、足場駆動型の横断波の3次元数値シミュレーションと解析的モデリングを組み合わせることにより、観測された速度摂動は、ループの不均一な境界層における異なる波動モード間の結合として理解できることが実証された。境界層におけるモード結合により、横断(キンク)モードが方位角(アルヴェン)モードへと変換され、これが横断キンク振動の減衰として観測される。数値的および解析的結果はともに、減衰波の空間プロファイルが、はじめはガウス形状を示すが、高度が大きくなると指数関数的減衰へと遷移することを示している。さらに、大型のオフリム・赤道横断ループにおけるコロナ多チャンネル偏光計(CoMP)のドップラーシフト観測の最近の解析により、ループ頂点におけるフーリエパワーが、理論モデルから予測されるよりも高周波数領域で高いことが示された。この高周波数領域における過剰なフーリエパワーは、低周波数から中周波数の波が(アルヴェン的)乱流へとカスケードする過程の開始を示す tentative な証拠となり得る。

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