Relative field-line helicity in bounded domains
天体物理等离子体模型的磁场线通常离开边界而不是在计算域内闭合。因此,相对磁螺旋度经常被用来代替通常的磁螺旋度,以恢复规范不变性。我们展示了如何将相对螺旋度分解成相对场线螺旋度,这是每个单独的磁场线的理想磁流体动力学不变量,并且沿着原始场与参考场相匹配的任何场线消失。物理上,这种相对磁力线螺旋度是一个磁通量,其具体定义取决于边界上参考矢势的规范。我们提出了一个特殊的“最小”规范,只依赖于参考场和最小化这一边界的贡献,从而揭示拓扑信息的原始磁场。我们说明了不同的规格选择使用低娄和Titov-Demoulin模型的太阳活动区的效果。我们的数值代码计算适当的矢量势和相对场线螺旋度在笛卡尔域是开源和免费提供。
2018-11-06 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
The contribution of kinetic helicity to turbulent magnetic diffusivity
使用数值模拟的强制湍流,它表明,磁雷诺数大于单位,即,在准线性理论的范围之外,湍流磁扩散率获得在动力学螺旋度中为二次的附加负贡献。特别是,对于大的磁雷诺数,没有螺旋度的湍流磁扩散率约为螺旋度值的两倍。这样的贡献是以前没有预料到的,但是,正如我们所讨论的,它原来是重要的,当需要准确估计的湍流磁扩散率。
2017-08-24 astro-ph.SR physics.flu-dyn
How can a Negative Magnetic Helicity Active Region Generate a Positive Helicity Magnetic Cloud ?
2003年11月20日的地球有效磁云(MC)与2003年11月18日的太阳活动有关。在其中的一些中,估计MC携带的磁螺旋度有正号,以及它的太阳源,活动区(AR)NOAA 10501。本文证明了AR 10501的大尺度磁场具有负螺旋度符号。由于日冕物质抛射(CME)是太阳将多余的磁螺旋度喷射到行星际空间的方式之一,因此AR和MC中的磁螺旋度符号应该一致。因此,这一发现与磁螺旋度守恒的预期相矛盾。然而,第一次使用正确的螺旋度密度图来确定磁螺旋度注入的空间分布,我们发现在AR 10501的南部存在一个本地化的正螺旋度通量。我们的结论是,正螺旋度从AR的这一部分,导致观察到的正螺旋度MC喷射。
2009-10-06 astro-ph.SR
Magnetic winding: what is it and what is it good for?
磁绕组是表征磁螺旋度和衡量磁场线纠缠度的基本拓扑量。与磁螺旋度一样,磁绕组也是理想磁流体力学的不变量。在本文中,我们详细描述了磁绕组所描述的内容、如何计算它以及如何根据螺旋度解释它。我们展示了如何磁绕组提供了一个清晰的拓扑描述磁场(开放或关闭),我们给出的例子来展示如何磁绕组和螺旋度可以表现出不同的,从而揭示不同的和重要的信息有关的基础磁场。
2020-09-24 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Evolution of field line helicity during magnetic reconnection
我们研究了连接两个边界的磁场的磁力线螺旋度的演化,重点是局部有限B磁重联。总(相对)磁螺旋度已经被认为是一个重要的磁流体动力学过程的拓扑约束。场线螺旋度提供了进一步的优点,因为它保留了所有拓扑信息,并且可以区分具有相同总螺旋度的不同磁场。磁重联改变场的连通性和场线螺旋度反映了这些变化,本文的目标是表征的演变。我们首先推导出场线螺旋度的演化方程,并检查其条款,还获得了一个简化的形式的情况下,动力学是本地化的域。主要结果,我们支持使用运动学的例子,是在一个复杂的磁场中的局部重联,磁力线螺旋度的演变是由一个类似的工作项,评估在磁力线端点,即广义磁力线速度和矢势的标量积占主导地位。此外,与无符号量的积分相比,该项在某些区域上的通量积分非常小,这表明场线螺旋度的变化以组织良好的成对方式发生。由此可见,重联是非常有效的重新分配螺旋度在复杂的磁场,尽管对总的螺旋度的影响不大。
2015-02-16 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Magnetic Helicity from Multipolar Regions on the Solar Surface
太阳表面出现偶极磁特征是一种理想化的现象。大多数磁通量出现在复杂的多极区域。在这里,我们表明,磁结构的表面图案本身就可以揭示在上面几乎没有力的日冕区域的潜在磁螺旋的迹象。磁螺旋度的符号可以通过考虑球面上三个点的三维位置矢量来预测,并根据它们在表面上的相对强度进行排序,然后计算斜交积。该产品,这是一个赝标量,被证明是一个很好的代理的符号的日冕磁螺旋。
2018-12-08 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Relative magnetic field line helicity
上下文磁螺旋度是磁化等离子体研究中的一个重要量,因为它提供了一个给定体积内磁场几何复杂性的度量。磁场螺旋度的空间分布的更详细的描述是由场线螺旋度给出的,场线螺旋度表示与单个场线相关的螺旋度的量,而不是在完整的分析体积中。目标。磁螺旋度一般不是规范不变的量,除非它是相对于参考场计算的,产生所谓的相对磁螺旋度。相对磁螺旋度所对应的磁力线螺旋度,迄今为止只在特定条件下进行过研究。本文的目的是以最一般的方式定义对应于相对磁螺旋度的磁力线螺旋度。除了它的一般形式,我们提供了表达式的相对磁场线螺旋在几个常用的规范,并复制已知的结果作为我们的一般配方的限制。方法.从相对磁螺旋度的定义出发,导出了相应的场线螺旋度,并指出了它所基于的假设。我们检查开发量再现相对磁螺旋度使用三种不同的数值模拟。对于这些情况下,我们还显示了形态的场线螺旋的体积,并在光球平面上。作为太阳的情况下的应用,我们比较了光球上的磁力线螺旋度的形态与基于连通性的螺旋度通量密度在两个重建的活动区的磁场。我们讨论了如何推导出的相对磁场线螺旋度有广泛的应用,特别是在太阳物理和磁重联的研究。
2019-02-27 astro-ph.SR
A study of global magnetic helicity in self-consistent spherical dynamos
磁螺旋度是理想磁流体力学和电阻磁流体力学的基本约束。对太阳和其他恒星的磁螺旋密度的测量被用来解释产生全球磁场的发电机的内部行为。本文研究了三个自洽球发电机解的整体相对磁螺旋度的行为。磁螺旋度描述了极向和环向磁场的全局联系(按磁通量加权),我们的结果表明,存在这种联系的优先状态。这使我们提出,全球磁场逆转,也许是一种手段,保持这种联系,因为,当只有一个极向或环向场逆转,首选的状态的联系是失去了。它示出,磁螺旋度指示反转的发病,并且可以观察到在外表面的这个签名。
2022-11-02 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.geo-ph
Large-scale dynamics of magnetic helicity
本文研究了磁流体动力学(MHD)湍流中磁螺旋度的动力学特性,研究的尺度大于强迫尺度。我们的结果显示了磁螺旋度的非局部逆级联,它直接发生在从强迫尺度到磁场最大尺度的过程中。我们还观察到,没有磁螺旋度和能量转移到一个中间范围的尺度足够小于容器的大小和大于强迫尺度。因此,这一范围内的尺度,这增加了尺度分离的统计特性,示出在很大程度上描述的零通量的解决方案的绝对统计平衡理论所表现出的截断理想MHD方程。
2017-05-19 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Magnetic helicity and fluxes in an inhomogeneous alpha squared dynamo
在三维湍流发电机的研究中,许多工作都是在三重周期区域中进行的,在这些区域中不存在磁螺旋度通量。在这里,我们提出的模拟湍流强度仍然是几乎均匀的,但现在有一个完美的导体边界条件的一端和垂直场或伪真空条件的其他。这导致了迁移发电机波。与相应的解析可解α ^2发电机的结果吻合得很好,并对两种模型的螺旋度通量进行了研究。研究发现,在中等的磁雷诺数,大部分的磁螺旋度损失发生在大尺度。这种变化是否在更大的磁雷诺数,所需的减轻灾难性的发电机淬火问题,仍然不清楚。
2019-02-04 astro-ph.SR physics.flu-dyn
The origin and effect of hemispheric helicity imbalance in solar dynamo
本文研究了半球磁螺旋度密度不平衡对发电机产生的大尺度磁场赤道反射对称性破缺的影响。我们的研究采用轴对称发电机模型,该模型考虑了磁螺旋度守恒的非线性效应。我们发现,净磁螺旋度密度的演变,换句话说,磁螺旋度不平衡,在表面上遵循的大尺度磁场的宇称的演变。$α$效应和螺旋度通量的随机波动可以逆转因果关系,即,磁螺旋度不平衡或磁螺旋度通量的不平衡可以驱动磁宇称破缺。我们还发现,小尺度场的净磁螺旋度的演化与大尺度场的净磁螺旋度的演化有一定的滞后。我们将其解释为太阳大尺度和小尺度的磁螺旋度通量差异的影响。
2020-01-31 astro-ph.SR
Studying the transfer of magnetic helicity in solar active regions with the connectivity-based helicity flux density method
在日冕中,磁螺旋度随着等离子体流和穿过光球的磁通量的出现而缓慢而持续地积累,分析磁螺旋度的这种转移是确定其在活动区动力学中作用的关键。基于连通性的螺旋度通量密度方法是近年来发展起来的研究AR中磁螺旋度的二维和三维传输的方法。该方法考虑到磁螺旋度的3D性质,明确地使用知识的磁场连接,这使得它能够忠实地跟踪光球通量的磁螺旋度。由于磁场在日冕中没有测量,因此必须使用从无力磁场外推获得的建模3D解决方案来导出磁连通性。不同的外推方法可以导致明显不同的三维磁场连通性,从而质疑的可靠性的连通性为基础的方法在观测应用。我们解决这些问题,通过应用这种方法的孤立和内部复杂的AR 11158与不同的磁场外推模型。我们表明,基于连通性的计算是强大的不同的外推方法,特别是在识别区域的相反的磁螺旋通量。我们的结论是,基于连通性的方法可以可靠地用于观测分析,是一个很有前途的工具,用于研究转移的磁螺旋在AR和它的耀斑活动。
2017-12-13 astro-ph.SR
Turbulent magnetic helicity fluxes in solar convective zone
等离子体的螺旋运动($α$效应)和非均匀(微分)旋转的联合作用是太阳和银河系大尺度磁场的一个重要发电机机制。小尺度场的磁螺旋度动力学是非线性发电机饱和的关键机制,其中湍流磁螺旋度通量允许避免$α$效应的灾难性淬灭。太阳和类日恒星的对流区以及星系盘是产生湍流磁螺旋度通量的源。在平均场近似和谱$τ$近似的框架下,我们利用库仑规范导出了密度分层湍流中的湍流磁螺旋度通量。湍流磁螺旋度通量包括非梯度和梯度贡献。非梯度磁螺旋度通量与非线性有效速度(在没有密度分层的情况下为零)乘以小尺度磁螺旋度成正比,而梯度贡献描述了小尺度磁螺旋度的湍流磁扩散。此外,湍流磁螺旋度通量包含与动力学$α$效应或其梯度成比例的源项,以及由大尺度切变(太阳差异旋转)引起的贡献。我们已经证明,由于动力学$α$效应及其径向导数与小尺度磁螺旋度的非线性磁扩散相结合的湍流磁螺旋度通量在太阳对流区占主导地位。
2022-08-13 astro-ph.SR
Relative Magnetic Helicity Based on a Periodic Potential Field
磁螺旋度在理想磁流体力学(MHD)下是守恒的,即使在电阻过程下也是准守恒的。磁螺旋度的标准定义不能直接应用于体积中的开放磁场,因为它与规范有关。相反,相对磁螺旋度被广泛使用。我们发现,具有周期性侧边界条件的矩形域中的位磁场的能量小于在所有六个边界上具有固定法向分量的场的能量。为了将这种低能势场应用于相对磁螺旋度的分析,我们引入了一个新的定义,即在磁场中引入周期势场,定义了相对磁螺旋度。我们将此定义应用到一系列的解析解和数值模拟。结果表明,新的规范不变螺旋度与原磁场的相对磁螺旋度的载流部分非常接近。我们还发现,载流螺旋度和相对磁螺旋度的原始和我们定义的相对螺旋度之间的比率表现出不同的行为。新的螺旋度似乎对由于体积中的电流引起的场分量更敏感,这是不稳定性和太阳爆发现象的来源。
2020-04-18 astro-ph.SR
The Magnetic Energy - Helicity Diagram of Solar Active Regions
本文利用新近提出的一种适用于太阳活动区单矢量磁图的非线性无力方法,计算了对应于42个不同活动区的162幅矢量磁图的瞬时自由磁能和相对磁螺旋度收支。我们发现在所研究的地区的自由磁能和相对磁螺旋度之间的统计鲁棒性,单调相关性。这种相关性意味着,除了自由磁能之外,磁螺旋度可能是主要太阳爆发的一个重要因素。在自由能和相对螺旋度方面,爆发活动区与非爆发活动区似乎有很好的分离,主要(至少是M级)耀斑发生在自由能和相对螺旋度分别超过4 × 10 ^{31}尔格和2 × 10 ^{42} Mx ^2的活动区。螺旋度阈值与典型日冕物质抛射的螺旋度含量的估计值吻合得很好。
2012-09-25 astro-ph.SR
Observations of Magnetic Helicity Proxies in Solar Photosphere: Helicity with Solar Cycles
本文综述了太阳光球磁螺旋度观测及其与太阳活动周的关系,发现其分布类似黑子蝴蝶图但峰值延迟,并与耀斑爆发相位对应,且输运遵循半球符号规则。
2023-11-13 astro-ph.SR
Current helicity of active regions as a tracer of large-scale solar magnetic helicity
我们证明了在太阳活动区观测到的电流螺旋度跟踪大尺度发电机产生的磁场的螺旋度。我们使用一个先进的二维平均场发电机模型与发电机饱和的基础上的演变的磁螺旋度和代数淬火。为了比较,我们还研究了一个更基本的二维平均场发电机模型与简单的代数α淬火。利用这些数值模型,我们得到了小尺度电流螺旋度和大尺度磁螺旋度的蝶形图,并与观测得到的活动区电流螺旋度蝶形图进行了比较。这种比较表明,目前的螺旋度的活动区,估计由$-{\bf A \cdot B}$评估的深度,从活动区的出现,类似于观测数据比小尺度的电流螺旋度直接计算的螺旋度演变方程。这里,${\bf B}$和${\bf A}$分别是发电机产生的平均磁场及其矢势。给出了这些结果的理论解释。
2012-04-25 astro-ph.SR
Influence of small scale magnetic energy and helicity on the growth of large scale magnetic field
研究了初始给定的小尺度磁能($E_M(0)$)和螺旋度($H_M(0)$)对磁流体动力学(MHD)发电机的影响。推导并求解了$E_M$(t)、$H_M$(t)和电动势($\langle {\bf v}\times {\bf b}\rangle$、$EMF$)的方程。结果表明,由$E_M$(0)引起的小尺度磁场(${\bf b}_i$)改变了$EMF$,并产生了附加项,其影响取决于磁扩散率$η$、初始条件位置($IC$ s)$k_f$和时间($\sim e^{-ηk_f^2 t}$). ${\bf b}_i$增加了能量的反向级联,导致大尺度磁场($\overline{\bf B}$)的增强生长。模拟数据表明,$E_M$(0)在小规模下提高了增长率,而增长率也成比例地依赖于$H_M(0)$。如果$E_M$(0)相同,则正$H_M(0)$对MHD发电机比负$H_M(0)$更有效。讨论了大尺度磁螺旋度与注入动力学螺旋度符号相反的原因。
2014-04-02 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.flu-dyn
Stability of plasmas through magnetic helicity
本文结合观测、数值实验与解析结果,阐明磁螺旋度及磁力线拓扑约束如何抑制等离子体破裂,提升日冕、聚变装置及星系际环境中的长期稳定性。
2024-12-06 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.plasm-ph
Magnetic helicity transport in the advective gauge family
磁螺度通量的调查家庭的仪表,其中的贡献,从理想的磁流体动力学采取的形式是一个纯粹的平流通量。在这个平流规范家庭的磁流体动力学湍流的数值模拟表现出不稳定性触发的非物理的无旋贡献的磁矢势的积累。作为一种补救措施,矢量势在数值上表现良好的规范中演化,从规范变换获得对流矢量势。在运动学制度,磁螺旋度密度演变类似于一个被动标量时,电阻率是小的,湍流混合是温和的,即当流体雷诺数不是太大。在动力学制度中,电阻贡献的磁螺旋度通量在平流规范被发现是显着的,由于在磁矢势的无旋部分的小长度尺度的发展。
2011-01-28 astro-ph.SR physics.plasm-ph
The inverse cascade of magnetic helicity in magnetohydrodynamic turbulence
在受迫和衰减的三维磁流体动力学湍流中,研究了导致导电湍流介质中大尺度磁结构形成的磁螺旋度$H^M$的非线性动力学.这是高分辨率的直接数值模拟和统计闭合理论的帮助下完成的。数值观察到的$H^M$的光谱标度与使用统计闭合模型的早期工作不同[Pouquet et al.,J. Fluid \textbf{77} 321(1976)]。通过对这一理论的重新考察,发现了一个普遍的动力学平衡关系,它包括了动能螺旋度、动能和磁能对$H^M$逆级联的影响,并解释了上述的矛盾。考虑的平均场发电机理论的背景下的结果表明,在湍流等离子体中的磁场激发的背景下,重要的$α$发电机效应的非线性修改。
2013-09-20 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
Magnetic Helicity Reversal in the Corona at Small Plasma Beta
太阳和恒星的发电机脱落的小规模和大规模的磁螺旋相反的迹象。然而,太阳风的观测和模拟表明,在发电机上方一定距离处,小尺度和大尺度的磁螺旋度都有相反的符号。随着对活跃区域上方日冕的真实模拟,我们可以获得沿日冕环的磁场和电流密度。我们表明,发生在磁螺旋度的水平平均值的符号反转时,当地最大的等离子体β下降到低于团结和该领域成为几乎完全免费的。因此,这种逆转预计会发生在日冕内,而帕克太阳探测器或太阳轨道飞行器无法直接进行现场测量。我们还表明,反转是与微妙的变化,相对优势的结构与积极和消极的磁螺旋。
2018-12-08 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Magnetic Helicity and Large Scale Magnetic Fields: A Primer
实验室、行星、恒星和星系等离子体的磁场通常在大的时间或空间尺度上表现出明显的有序性,而宿主系统内的运动则是随机的。这样的有序场可以在行星、恒星和星系的情况下测量,或者通过它们的动力学影响的作用(如喷流)间接推断。对于没有确定的磁活动周期的天体,大规模磁场是在原地放大的,还是来自天体历史上以前阶段的残留物,这一点经常引起争论。磁螺旋度是对磁场线扭曲和连接的度量,是理解两种起源机制的大尺度场演化的统一工具。它的重要性源于它的两个基本性质:(1)磁螺旋度通常比磁能更好地守恒;(2)当系统将这种螺旋结构松弛到可用的最大尺度时,与固定量的磁螺旋度相关的磁能最小化。在这里,我将讨论如何磁螺旋度来帮助我们了解的饱和度和维持大规模发电机,需要本地或全球的螺旋度通量,以避免发电机淬火,以及相关的观测后果。我还讨论了如何磁螺旋度作为一个障碍,湍流扩散的大规模领域,从而在某些情况下,帮助化石遗迹大规模场起源模型。本文还简要地讨论了大尺度场与吸积盘理论之间的联系。这里的目标是提供一个概念性的入门,以帮助读者有效地渗透文献。
2014-03-17 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.SR
Evolution of Magnetic Helicity and Energy Spectra of Solar Active Regions
我们采用傅立叶变换的磁场两点相关张量的各向同性表示来估计两个独立活动区(NOAA 11158和NOAA 11515)的磁能谱、螺旋度谱和电流螺旋度谱,以及谱指数在它们的发展过程中以及在太阳活动周期间的变化。分析了磁场能量谱指数和电流螺旋度谱指数偏离5/3的情况,发现它低于磁场能量谱指数。此外,分数磁螺旋度有随载能磁结构尺度增大而增大的趋势。NOAA 11515的磁螺旋度违反了预期的半球符号规则,这被解释为在大于30- 60微米的尺度上增强的磁场强度的效果,具有相反的螺旋度符号。这与一般的周期依赖性是一致的,这表明在太阳极大值附近的磁能和螺旋度谱是陡峭的,强调了大尺度场。
2016-02-22 astro-ph.SR
Relationship between photospheric currents and coronal magnetic helicity for force-free bipolar fields
日冕磁螺旋度的起源和演化至今还没有很好的认识。例如,活动区的磁螺旋度通常约为$10^{42}$ Mx $^2$($10^{26}$ Wb $^{2}$),但据认为注入日冕的观测过程还没有提供对所产生的磁螺旋度预算或时间演变的准确估计。磁螺旋度的变化对于理解耀斑、日冕物质抛射及其相关的磁云的物理性质是很重要的。为了阐明这一主题,我们在这里调查的变化,由于电流在日冕中的一个单一的扭曲的磁通量管,可以模拟特征的日冕结构,如活动区灯丝,S形,或日冕环。对于双极光球磁场和几种电流分布,我们将日冕场外推为非线性无力场。然后,我们计算了相对磁螺旋度,以及自我和相互螺旋度。从具有中等电流量的磁配置开始,当最大电流强度增加2倍时,磁螺旋度的量可以增加2个数量级。磁螺旋度对电流密度的高灵敏度可以部分解释光球层、日冕和磁云中测量值之间的差异。我们的结论是,磁螺旋度强烈地依赖于电流密度的强度和它的分布。只有改进光球层电流密度的测量,才能增进我们对太阳大气中磁螺旋度含量的了解。
2009-03-16 astro-ph.SR
Hall effect on the joint cascades of magnetic energy and helicity in helical magnetohydrodynamic turbulence
本文通过直接数值模拟和Ulysses观测数据,揭示了螺旋磁流体湍流中霍尔效应通过诱导交叉螺旋度抑制逆级联,从而促进大尺度磁能与螺旋度积累的新机制。
2024-05-06 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Magnetic Helicity of Self-Similar Axisymmetric Force-free Fields
在本文中,我们继续我们的理论研究,解决什么是磁螺旋度积累在太阳日冕的可能后果。我们以前的研究表明,日冕物质抛射(CMEs)是日冕演化的自然产物,是磁螺旋度积累的结果,而磁螺旋度积累也是表面过程(如通量出现)触发CMEs的原因。在这里,我们使用相同的数学方法来研究轴对称幂律无力场的磁螺旋度,但专注于一个家庭的表面磁通分布定义的自相似无力场。轴对称自相似无力场的半解析解使我们能够讨论具有大量累积磁螺旋度的无力场的性质。我们的研究表明,可能有一个绝对的上限上的所有双极轴对称无力场的总磁螺旋度。随着累积磁螺旋度的增加,无力场趋于完全开放,在电流片层周围出现类帕克螺旋结构,这是行星际空间磁螺旋度的证据。在具有相同边界磁通分布的轴对称无力场中,自相似场的总磁螺旋度最大。这可能给出了一个物理原因,为什么自相似场经常被发现在天体,其中磁螺旋度积累大概也发生。
2012-06-12 astro-ph.SR
Effects of non-radial magnetic field on measuring magnetic helicity transport across solar photosphere
一般认为,磁螺旋度的演化与太阳活动有着密切的关系。在SDO发射之前,早期的研究大多使用MDI/SOHO视线磁图,并假设磁场是径向的,从光球磁图计算磁螺旋度注入率。然而,这种假设不一定正确。在这里,我们使用矢量磁图和视线磁图,都采取了HMI/SDO,估计非径向磁场测量磁螺旋注入率的影响。我们发现:1)非径向磁场对切向速度的影响相对较小:2)在磁螺旋度注入率的估算中,当观测到活动区靠近盘边缘时,非径向磁场的影响较强,而当观测到活动区靠近盘中心时,非径向磁场的影响相对较小; 3)如果只考虑累积磁螺旋度的大小,则非径向磁场的影响较小。
2015-03-30 astro-ph.SR
Magnetic helicity fluxes in an alpha-squared dynamo embedded in a halo
我们提出的强迫湍流在板的平均动力学螺旋度有一个最大的中平面附近的模拟结果,产生梯度的大小尺度场的磁螺旋度。我们还研究了系统,有不良的传导缓冲区远离中平面,以评估边界的影响。动力学α猝灭现象要求小尺度场的磁螺旋度接近一个近似静态的、规范无关的态。应力测试这种稳定状态的条件,我们选择了一个系统的动力学螺旋度的统一标志,使总磁螺旋度可以达到一个稳定状态值,只有通过通量通过边界,这本身是抑制的速度边界条件。即使这样的设置,小尺度的磁螺旋度被发现达到一个稳定的状态。与以前的工作一致,小尺度场的磁螺旋度通量被发现是有害扩散的。通过比较有和没有晕的结果,我们表明,在边界上的磁螺旋度的人为约束没有显着的影响的演变的磁螺旋度,除了“软”(晕)边界条件给出了较低的能量的饱和平均磁场。
2010-04-26 astro-ph.SR
Turbulent convection as a significant hidden provider of magnetic helicity in solar eruptions
本文通过深对流区磁通量浮现的数值模拟,揭示湍流对流可使无扭缠磁通量稳定到达太阳表面形成黑子,并通过湍流扭缠注入可观磁螺度,从而为太阳耀斑爆发提供隐藏的螺度来源。
2023-05-30 astro-ph.SR physics.space-ph
Photospheric Injection of Magnetic Helicity: Connectivity--based Flux Density Method
磁螺旋度量化了体积中磁场的全局剪切和/或扭曲程度。由于其守恒性质,这个量被认为在太阳活动中起着关键作用。在活动区的演化过程中,螺旋度不断注入日冕。为了更好地理解和量化磁螺旋度在太阳活动中的作用,需要研究AR中磁螺旋度通量的分布。利用SDO/HMI和Hinode/SOT提供的AR光球磁图的时间演化可以计算螺旋度分布。最近的光球螺旋度通量分析得出的螺旋度通量密度代理的基础上的光球磁足点的相对旋转速率。虽然这个代理可以很好地估计光球螺旋度通量,但它仍然不是真正的螺旋度通量密度,因为它没有考虑磁场线的连通性。这是第一次,我们实现了螺旋密度,考虑到这种连接。为了将其用于未来的观测研究,我们测试了几种类型的模型,涉及不同的模式的螺旋度注入的方法和精度。我们还测试了更复杂的配置-从磁流体动力学(MHD)模拟-含有准分界线层。我们证明,这种基于连通性的螺旋度通量密度代理是最好的映射的真实分布的光球螺旋度注入。
2013-07-10 astro-ph.SR
Magnetic twist: a source and property of space weather
我们提出的证据有限的磁螺旋密度在日光层和数值模型,并将其与太阳对流区的发电机的磁场属性。我们使用模拟和太阳风数据来计算磁螺旋度直接从模拟,或间接使用的时间序列的斜对称分量的磁相关张量。我们发现太阳发电机在小尺度下产生负的磁螺旋度,在大尺度下产生正的磁螺旋度。然而,在日球层中,这些性质被逆转,现在的磁螺旋度在小尺度上是正的,在大尺度上是负的。我们解释这一事实,即负扩散磁螺旋度通量对应于磁螺旋度的正梯度,这导致在北半球的一些半径从负值到正值的符号变化。
2012-07-18 astro-ph.SR physics.space-ph
Energy and helicity budgets of solar quiet regions
我们研究了太阳宁静区的自由磁能和相对磁螺度收支。使用一种新的非线性无力方法,需要单一的太阳矢量磁图,我们计算的瞬时自由磁能和相对磁螺旋度预算在55个安静的太阳矢量磁图。在以前的工作中的活动区域,我们在这里构建的第一次(自由)能量(相对)螺旋图安静的太阳区域。我们发现,安静的太阳区域没有主导意义的螺旋度和显示单调相关a)之间的自由磁能/相对螺旋度和磁网络面积,因此,b)之间的自由磁能和螺旋度。安静的太阳区域的自由磁能预算代表了一个相当连续的扩展各自的活动区域的预算朝着较低的值,但相应的螺旋度过渡是不连续的,由于螺旋度的意义上的不相干性相反的活动区域。我们进一步估计了整个宁静太阳的瞬时自由磁能和相对磁螺度预算,以及整个太阳周期的相应预算。推导出的瞬时自由磁能预算,并在较小程度上,相对磁螺旋度预算在整个安静的太阳相当大的活动区域的各自的预算,而总预算内的太阳周期被发现高于以前的报告。自由能预算与为网络中的细尺度结构(如斑点和针状物)提供动力所需的能量相当。
2014-03-04 astro-ph.SR
Differences in periodic magnetic helicity injection behaviour between flaring and non-flaring Active Regions: Case Study
磁螺旋度的演化与太阳爆发有着密切的关系,并且作为一种预测性的诊断是很有意义的。在这种情况下,我们分析的情况下,三个耀斑和三个非耀斑活动区(AR)使用SHARP(空间天气日震磁成像仪活动区补丁)矢量磁场数据的归一化出现,剪切和总磁螺旋度分量的演变。的三个磁螺旋度分量的演变进行了分析与小波变换,揭示显着的共同周期的标准化出现,剪切和总的螺旋度通量耀斑前在耀斑的AR。三种非扩口式反辐射装置没有显示出这种共同的周期性行为。这一案例研究表明,磁螺旋度分量的功率谱中存在显着的周期性可以作为一个有价值的耀斑的前兆。
2020-06-13 astro-ph.SR
On the influence of magnetic helicity on X-rays emission of solar and stellar coronae
对类太阳恒星的观测表明,X射线发射与它们的自转之间存在着明显的关系。更高的恒星自转可以导致更大的恒星磁螺旋度的产生。我们的目标是了解恒星表面的磁螺旋度与其日冕X射线发射之间的关系。我们使用3D MHD模拟来模拟类太阳恒星的日冕。我们把观测到的磁图作为光球活动的输入,并注入不同的磁螺旋度值。我们使用合成发射来计算每个模拟的X射线发射通量,并研究这如何与注入的磁螺旋度成比例。我们发现,对于较大的注入磁螺旋度的温度增加和X射线发射的增加。X射线发射与注入的螺旋度成正比。我们可以把这与水平磁场的增加,从而在日冕底部更高的坡印廷通量。使用典型的缩放与恒星旋转的磁螺旋度的生产,我们可以解释的X射线辐射的增加与旋转,只有在一个恒星表面的磁螺旋度的增加。
2019-10-16 astro-ph.SR
Evolution of Magnetic Helicity in Solar Cycle 24
我们提出了一种新的方法来重建太阳或类太阳恒星的表面磁螺旋度密度。通过将矢量磁场测量值分解为环向分量和极向分量来确定磁矢量势。使用非轴对称发电机模型的数据验证了该方法。利用太阳动力学天文台(SDO)日震和磁成像仪(HMI)的矢量场天气图,研究了第24太阳周期间磁螺旋度密度的演变。发现太阳非轴对称磁场的平均螺旋度密度的演化方式与目前太阳活动区螺旋度密度的演化方式相似。它在北半球主要是负号,在南半球是正负号。此外,非轴对称磁场的半球螺旋度规则在第24周结束时显示出符号反转。大尺度轴对称磁场的磁螺旋度密度的演化与发电机理论所预期的不同。一方面,在第24周开始时,磁螺旋度密度的大小尺度分量的平均值表现为符号相反的半球螺旋度规则;然而,在周期的后期,两个螺旋度显示出与理论预期相反的相同符号。
2019-05-02 astro-ph.SR
Solar Flares and Magnetic Helicity
太阳耀斑和日冕物质抛射是当前太阳系中最大的能量释放现象。它们导致各种波长的电磁波急剧增强,有时会将日冕物质喷射到行星际空间,扰乱包括地球在内的轨道行星的磁环境。一般认为,太阳耀斑是储存在活动区上方太阳大气中的磁能通过磁重联突然释放的现象。因此,为了阐明太阳耀斑的本质,估算磁场的复杂性并跟踪其演化是至关重要的。磁螺旋度是衡量日冕磁结构扭曲程度的一个指标,因此被用来量化和描述耀斑活动区的复杂性。本章概述了太阳耀斑,并讨论了如何使用磁螺旋度的不同概念来理解和预测太阳耀斑。
2022-04-12 astro-ph.SR physics.plasm-ph
The critical role of magnetic helicity in astrophysical large-scale dynamos
回顾了磁螺旋度在天体物理学大尺度发电机中的作用,并与没有能量供应和初始磁场只能衰减的情况进行了比较。在这两种情况下,磁能往往会重新分布到更大的尺度上。根据磁螺旋度通量的效率,螺旋场的衰减可以加速。同样,螺旋发电机的饱和可以通过磁螺旋度通量来加速。这些过程在天体物理学上的重要性在太阳发电机的背景下进行了评述,并给出了磁螺旋度通量的估计上限为10^46 Mx^2/周。
2009-09-24 astro-ph.SR
The origin of the helicity hemispheric sign rule reversals in the mean-field solar-type dynamo
对过去两个太阳活动周期太阳磁螺旋度代用指标的观测显示,螺旋度半球符号规则发生了逆转(北半球为负,南半球为正)。我们应用平均场太阳发电机模型来研究在太阳对流区的发电机的磁螺旋度符号的反转。磁螺旋度的演化受守恒定律控制。我们发现,小尺度磁螺旋度的符号的反转遵循发电机波在对流区内传播。因此,磁螺旋度反转的空间分布反映了大尺度磁场的产生和演化过程。在地面上,螺旋度符号反转的模式由对流区顶部的磁螺旋度边界条件决定。我们证明了发电机参数的波动和发电机周期振幅的变化对磁螺旋度符号规则的逆转的影响。结果表明,大尺度轴对称场的磁螺旋度可以作为太阳发电机的一种附加观测示踪剂。
2013-04-09 astro-ph.SR
Validation of the magnetic energy vs. helicity scaling in solar magnetic structures
我们评估了自由磁能-相对磁螺旋度图对太阳磁结构的有效性.我们使用了两种不同的方法来计算自由磁能和相对磁螺旋度预算:一个经典的,体积计算非线性无力(NLFF)的方法,适用于有限的日冕磁结构和表面计算NLFF推导依赖于一个单一的光球或色球矢量磁图。这两种方法被应用到两个不同的数据集,即合成活动区的情况下,通过三维磁流体动力学(MHD)模拟和观察到的活动区的情况下,其中包括喷发和noneruptive磁结构。推导出的能量-螺旋度图显示了一致的相对螺旋度和自由能之间的单调标度与标度指数0.84 $\pm$ 0.05的数据集和计算方法。它也证实了隔离noneruptive和喷发活跃地区和存在的阈值,在自由能和相对螺旋度的活跃地区进入喷发领土。我们认为以前报道的太阳磁结构的能量螺旋度图充分验证,并设想在未来的研究太阳磁性的未发现的缩放的重要作用。
2014-09-29 astro-ph.SR
Change ratios of magnetic helicity and magnetic free energy during major solar flares
本文通过47个太阳耀斑样本,对比约束耀斑与爆发耀斑中磁螺度和磁自由能的变化比率,发现爆发耀斑的下降幅度显著更大,从而用观测数据验证了磁螺度近似守恒及CME带走磁螺度的理论。
2023-08-10 astro-ph.SR
Magnetic Helicity Estimations in Models and Observations of the Solar Magnetic Field. Part III: Twist Number Method
本文在日冕磁场结构模型的基础上,研究了不同磁通量绳的扭动、扭曲和磁螺旋度。这些包括分析力免费Titov-Démoulin平衡解决方案,非力免费磁流体动力学模拟,和非线性力免费磁场模型。磁通量绳的几何边界由准分界线层和底面确定,磁通绳的轴线曲线由其总体取向确定。扭转计算的Berger-先验公式,适用于任意几何形状和无力和非无力模型。磁螺旋度是通过扭曲乘以轴向磁通量的平方来估计的。我们比较得到的值与那些来自有限体积螺旋度估计方法。我们发现,与扭转方法得到的磁螺旋度同意的螺旋度进行的纯载流部分的领域内的不确定性,大多数测试情况下。研究还发现,模型场的载流部分在磁通量绳的位置处相对显著。这定性地解释了由扭转方法计算的磁螺旋度与纯粹由载流磁场贡献的螺旋度之间的一致性。
2017-04-07 astro-ph.SR
Influence of Magnetic Helicity in MHD
观测表明,太阳的磁场具有螺旋结构。磁场位形中的螺旋度含量是系统动力学演化的一个重要约束。由于螺旋度是与链接的数量,我们调查的配置与联锁磁通量环和一个与未链接的环。结果表明,影响磁场衰减的不是磁管的连接方式,而是磁螺度的含量。
2011-08-23 astro-ph.SR
Cross helicity and turbulent magnetic diffusivity in the solar convection zone
在密度分层的湍流介质中,交叉螺旋度<u '. B'>被认为是速度涨落与大尺度磁场相互作用的结果。通过准线性理论和数值模拟,我们发现交叉螺旋度和平均垂直磁场是反相关的。在高导极限下,螺旋度与平均磁场之比等于磁涡扩散率与(已知)密度标度高度之比。该结果可用于预测太阳表面的交叉螺旋度超过1高斯km/s。其符号与径向平均磁场的符号反相关。或者,我们可以使用我们的结果来确定的湍流磁扩散率的值从观测的交叉螺旋度。
2010-11-24 astro-ph.SR
Magnetic Helicity and Free Magnetic Energy as Tools to Probe Eruptions in two Differently Evolving Solar Active Regions
利用HMI/SDO的矢量磁图和基于磁连通性的方法,我们计算了两个太阳活动区(AR),AR 11890和AR 11618,都具有复杂的光球磁场配置几天的瞬时相对磁螺旋度和自由磁能预算。AR产生了几个主要的爆发耀斑,而它们的光球磁场在AR 11890中主要表现出通量衰减,在AR 11618中主要表现出通量出现。在它们的大部分演化过程中,两个AR都有大量的自由磁能和正负螺旋度预算。事实上,它们的螺旋度的符号分量之间的不平衡与安静太阳中的一样低,它们的净螺旋度最终在最后一次大耀斑后14-19小时改变了符号。尽管有这样的不一致性,爆发发生在净螺旋度峰值的时间,这是同时间的自由磁能的峰值。在标准化的自由磁能中,与爆发耀斑相关的损失在10- 60%的范围内。对于螺旋度,变化范围从25%到去除占主导地位的符号的整个多余螺旋度,导致净螺旋度大致为零,但两种螺旋度意义上的预算显著相等和相反。缓慢变化的背景成分的自由能和螺旋度时间序列的去除显示,所有的火山爆发相关的峰值的数量超过2 $σ$水平的去趋势时间序列。当这些量中只有一个或没有一个超过其2 $σ$水平时,没有喷发。我们的研究结果表明,不同的发展AR可能会产生重大的爆发耀斑,即使当除了积累显着的自由磁能预算,他们积累了大量的负和正螺旋度没有一个强大的优势,一个手超过其他。
2023-01-20 astro-ph.SR
Magnetic Flux and Helicity of Magnetic Clouds
磁云(MC)是由作为日冕物质抛射(CME)的一部分从太阳发射的通量绳(FR)形成的。它们带走了大量的磁通量和螺旋度。本研究的主要目的是量化这些数量从原位测量MCs在1 AU。通过局部FR模型拟合这些数据提供了沿FR轴的轴向磁场强度、半径、磁通量和每单位长度的螺旋度。我们表明,这些数量是统计独立的位置沿FR轴。然后,我们从两组MC中推导出FR轴的通用形状和长度。这些结果改进了磁螺旋度的估计。接下来,我们评估的总磁通量和螺旋度穿过半径为1天文单位,以太阳为中心,每年和在一个太阳周期。我们还包括在研究中的两套小FR不具有所有的典型特征的MC。虽然小的FR比MC多至少十倍,但磁通量和螺旋度由较大MC的贡献主导。它们在一年中携带大约25个大活动区的磁通量和其中200个的磁螺旋度。MC带走了大量的无符号磁螺旋度,与太阳发电机的估计值和新兴活动区的测量值相当。
2015-09-03 astro-ph.SR
Small-scale magnetic helicity losses from a mean-field dynamo
使用平均场模型与动态淬火形式主义,我们表明,在有限域磁螺旋通量与小尺度磁场能够减轻灾难性的淬火。我们认为,无论是从平流的平均流量,湍流混合的平均小尺度磁螺旋度浓度的梯度,或明确的删除,这可能与太阳中的日冕物质抛射的影响,导致通量。在没有剪切的情况下,所有的小尺度磁螺旋度通量被发现是同样强的大尺度和小尺度领域。在剪切的存在下,也有一个额外的磁螺旋通量与平均场,但这种通量并不能减轻灾难性的淬火。在发电机活跃区之外,既没有磁螺旋度的源也没有磁螺旋度的汇,因此在稳定状态下,这种通量必须是恒定的。结果表明,非物理行为出现,如果小尺度磁螺旋度通量被迫消失在计算域。
2009-05-03 astro-ph.SR
Helicity Fluxes and Hemispheric Helicity Rule of Active Regions Emerging from the Convection Zone Dynamo
本研究利用三维非线性平均场太阳发电机模型,探究对流区浮现的双极磁区的螺旋度通量等参数,明确了不同演化阶段螺旋度通量的主导来源,为理解太阳活动区半球螺旋度规则提供了依据。
2025-08-01 astro-ph.SR
Testing magnetic helicity conservation in a solar-like active event
磁螺度是理想磁流体力学(MHD)的一个守恒量。因此,它可以作为磁化等离子体磁场演化的有效示踪剂。理论估计表明,磁螺旋度也基本上是保守的非理想MHD过程,如磁重联。然而,这个猜想几乎没有得到实验或数值的检验。由于磁螺旋度估计方法的最新进展,现在可以在一般的三维数据集中对其耗散水平进行数值测试。我们首先重新审视的相对磁螺旋度的时间变化的一般公式在一个完全有界的体积时,没有假设的规范。我们介绍了一种方法来精确地估计其耗散独立的非理想MHD过程发生的类型。在一个类太阳爆发事件的模拟中,我们使用不同的量规,比较其在有限体积中的估计与其通过边界的时间积分通量,从而测试螺旋度的守恒和耗散。我们给出了磁螺旋度真实耗散的一个上界:在准理想MHD阶段,它是准零的。即使当磁重联起作用时,磁螺旋度的相对耗散也非常小(<2.2%),特别是与磁能的相对耗散(大于30倍)相比。最后,我们说明了如何螺旋度通量项涉及速度分量的规范依赖,从而限制了它们的物理意义。
2015-06-30 astro-ph.SR
Time Evolution of Coronal Magnetic Helicity in the Flaring Active Region NOAA 10930
为了研究2006年12月13日X3.4耀斑的三维磁场拓扑结构及其长期演化,我们研究了12月8-14日期间耀斑活动区NOAA 10930的日冕相对磁螺旋度。基于Wiegelmann加权优化方法重建的三维非线性无力磁场计算了日冕螺旋度,并与通过AR光球表面注入的螺旋度进行了比较。螺旋度注入是根据Pestrian等人使用太阳和日光层天文台/迈克尔逊多普勒成像仪磁图提出的磁螺旋度通量密度确定的。这项研究的主要结果如下。(1)日冕螺旋度的时间分布与通过地面注入的螺旋度积累的时间分布有很好的相关性。(2)在X3.4耀斑之前,AR的日冕螺旋度估计为-4.3 $\times$ 10 $^{43}$ Mx $^{2}$。(3)在这次耀斑之前,日冕中的负螺旋度(-3.2 $\times$ 10 $^{43}$ Mx $^{2}$)在约1.5天的时间内大幅增加,而且在通道结构发展期间,通过耀斑磁极反转线周围的光球表面注入了明显的正螺旋度。我们推测,X3.4耀斑的发生与正螺旋度注入到一个现有的负螺旋度系统有关。
2010-08-18 astro-ph.SR
The Transport of Relative Canonical Helicity
相对正则螺旋度的演化在两流体磁流体力学形式主义检查。正则螺旋度在这里被定义为等离子体物种的正则动量的螺旋度。物种的正则螺旋度耦合在一起,可以从一个转换到另一个,而总规范不变的相对正则螺旋度保持全局不变。该转换是由离子和电子正则通量管共同的表面处的焓差驱动的。该模型提供了一个解释,为什么在反螺旋合并分叉的阈值取决于尺寸参数。尺寸参数确定磁螺旋度湮灭是否将焓引导到磁通量管中或引导到正则通量管的涡量流管组件中。相对正则螺旋度的输运约束了等离子体流和磁场之间的相互作用,并提供了一个更一般的框架,用于从焓或感应边界条件驱动流和电流。
2012-09-07 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Spectral magnetic helicity of solar active regions between 2006 and 2017
我们使用2006- 2017年期间Hinode的数据计算了太阳表面约2485个边长约100 Mm的斑块的磁螺旋度和能谱。一个广泛的数据库组装,我们列出的磁能和螺旋度,大,小尺度的磁螺旋度,平均电流螺旋度密度,分数磁螺旋度,以及相关长度与日出图标识号(MapID),以及卡林顿纬度和经度为每个MapID。虽然有偏离半球符号规则的磁和电流螺旋度,弱的趋势,这里报告的是与以前的结果。这被认为是一个物理效应与个别活跃地区的主导地位,有助于更强烈地解决日出图。与以前的工作相比,典型的相关长度被发现是6-8微米,而长度尺度相关的磁和电流螺旋度彼此被发现是约1.4微米。
2019-06-16 astro-ph.SR
The Minimal Helicity of Solar Coronal Magnetic Fields
位场外推法被广泛地用作太阳日冕磁场的最小能量模型。作为与其他磁场进行比较的参考,它们--根据任何合理的定义--都没有全局(符号)磁螺旋度。在这里,我们调查的内部拓扑结构,没有被捕获的整体螺旋积分,通过分裂成个人场线螺旋。这些计算使用位场外推从磁记录观测太阳周期24,以及一个简单的说明性模型的一个单一的双极区域的偶极背景。我们发现,局部补丁的场线螺旋度主要来自强活动区域和它们的叠加场之间的联系,使总的无符号螺旋度与光球和开放通量的产品相关。在每个活跃区域内,正螺旋度和负螺旋度可能是不平衡的,但有符号螺旋度只有无符号螺旋度的十分之一左右。有趣的是,在第24周,有一个明显的峰值,在无符号螺旋度造成的一个单一的大活动区。平均而言,总的无符号螺旋度在考虑的分辨率是大约两倍的典型的有符号螺旋度的一个真正的活动区域,根据非潜在的模型在文献中。
2020-07-21 astro-ph.SR
Two-scale analysis of solar magnetic helicity
我们开发了一个双尺度的形式主义,以确定全球磁螺旋度谱的系统中,当地的磁螺旋度有相反的迹象,在赤道的两侧,引起取消与传统的方法。我们验证了这种方法,首先使用合成的一维磁场,然后从三维α效应型发电机产生的磁场与强迫湍流的相反螺旋度的域的中平面上方和下方的二维切片。然后,我们将这种形式主义的全球太阳天气矢量磁图。为了改进统计,将三次连续卡林顿旋转(2161- 2163)的数据合并到一张地图中。我们发现,北半球的光谱磁螺旋度代表是负的,在所有波数和峰值在~ 0.06 Mm^{-1}(尺度约100 Mm)。在螺旋驱动的α效应型发电机的三维湍流模拟中,没有发现双螺旋磁场的证据。
2017-02-06 astro-ph.SR