Theoretical explanation of the coronal heating and solar wind acceleration based on wave modeling

基于波浪模型的日冕加热和太阳风加速的理论解释

基本信息

批准号：
17J07108
负责人：
庄田宗人
金额：
$ 1.22万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-04-26 至 2019-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

大きな研究課題である太陽風駆動メカニズムの解明に向け、本年度は基礎物理過程の研究を行った。太陽風の最も標準的なモデルでは、磁気流体波動の持つ運動量やエネルギーをもとに高温・高速な太陽風が形成されると考えられている。この際、特に波動のエネルギーを熱エネルギーに変換する過程において非線形過程が重要な役割を果たす。太陽表面で励起された波動が上空でどのような非線形状態に達するかが太陽風の質量・速度を決定するわけである。このように太陽風駆動において乱流の重要性が広く認識されているにも関わらず、乱流の基礎的性質の理解は未だに十分ではない。太陽風の乱流は磁場と相互作用し（磁気流体）、圧縮性が高く、非一様非等方であるため、通常の乱流理論をそのまま適用できず、その理解には直接数値計算を必要とするためである。このような研究背景のもと、私は太陽風乱流の圧縮性に注目し、その基礎物理過程を数値シミュレーションを用いて研究した。これまで多くの研究で乱流の圧縮性は無視されて来たが、速度擾乱が音速と同程度になりうる太陽風乱流では圧縮性を無視することはできない。実際数値シミュレーションの結果、これまで重要とみなされてこなかった減衰不安定(parametric decay instability)が太陽風乱流で重要な役割を果たすことを発見した。重要性とは具体的には以下のとおりである。まず太陽風中では大きな密度擾乱が生成されるが、減衰不安定により観測される性質が説明できることを示した。さらに減衰不安定を介して乱流の新たなエネルギー輸送過程（位相混合）が生じることも示した。これらの研究は二本の査読付き欧文学術誌に掲載され、海外研究会を含む多くの学会で発表し、三度の受賞につながるなど高く評価された。

今年，我们对基本物理过程进行了研究，以阐明太阳风驱动机制，这是一个重大研究课题。最标准的太阳风模型假设高温、高速的太阳风是基于磁流体动力波的动量和能量形成的。在这种情况下，非线性过程发挥着重要作用，特别是在将波能转化为热能的过程中。太阳风的质量和速度由太阳表面激发的波到达天空的非线性状态决定。尽管湍流在驱动太阳风方面的重要性已得到广泛认可，但人们对湍流的基本特性仍然知之甚少。太阳风中的湍流与磁场相互作用（磁流体动力学），具有高度可压缩性，并且具有非均匀性和各向异性，因此无法直接应用常规湍流理论，需要直接进行数值计算来理解它。基于这一研究背景，我重点研究了太阳风湍流的压缩性，并利用数值模拟研究了其基本物理过程。迄今为止，许多研究都忽略了湍流的可压缩性，但在太阳风湍流中它不能被忽视，其中速度扰动可以与声速处于同一数量级。通过实际数值模拟，我们发现参数衰变不稳定性（直到现在才被认为很重要）在太阳风湍流中起着重要作用。具体来说，其重要性如下。首先，我们表明太阳风中会产生大的密度扰动，并且观察到的特性可以通过阻尼不稳定性来解释。此外，我们还表明，湍流中的新能量传输过程（相混合）是通过阻尼不稳定性发生的。这些研究发表在两种同行评审的欧洲学术期刊上，并在包括海外研究小组在内的多个学术会议上发表，并受到高度评价，荣获三项奖项。