Magnetohydrodynamic modeling of large-amplitude waves in the solar corona

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-10-8075-3
Title: Magnetohydrodynamic modeling of large-amplitude waves in the solar corona
Author: Pomoell, Jens
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Solar eruptions are a consequence of the complex dynamics occurring in the tenuous, hot magnetized plasma that characterizes the solar corona. From a socio-economic viewpoint, solar eruptions can be argued to be the most important manifestation of the magnetic activity of the Sun due to their role as the main drivers of space weather, i.e., conditions in space that can have an adverse impact on space- as well as ground-based technologies such as telecommunication, electric power systems and satellite navigation. The launch of new space-based solar observatories during the past two decades has resulted in a dramatic improvement of the instrumentation monitoring the inner heliosphere. In spite of the advances in the observational capabilities, the physics of the solar eruptions as well as the nature of the various transient large-scale coronal phenomena observationally associated with the eruptions remain elusive. Constructing models capable of simulating the coronal and heliospheric dynamics is a viable path for gaining a more complete understanding of these phenomena. This thesis is concerned with developing a simulation tool based on the magnetohydrodynamic (MHD) description of plasmas and employing it for studying the characteristics of large-scale waves and shocks launched into the solar corona by the lift-off of a solar eruption such as a coronal mass ejection (CME). A particular focus is on discussing the role of large-amplitude waves in producing transient phenomena such as EIT waves and solar energetic particle (SEP) events that are known to appear in conjunction with CMEs. A suite of MHD models of the solar corona are constructed that allow the study of the coronal dynamics in varying environments at several stages of the eruption. For this purpose, novel robust numerical methods for solving the equations of magnetohydrodynamics in orthogonal curvilinear geometries in multiple dimensions are derived, forming the basis of the numerical simulation tool developed for the thesis. The results show that a dynamically intricate global shock front degenerating to a fast-mode MHD wave towards the surface of the Sun is an essential and natural part of the eruption complex that plays a key role in the generation of eruption-related transient phenomena. For instance, the close resemblance between the on-disk signatures produced by the fast-mode wave and EIT waves suggest a wave interpretation of the latter. The simulations also reveal that a highly non-trivial evolution of the shock properties on coronal field lines occurs even for simple coronal conditions, highlighting the need for more sophisticated models of particle acceleration than generally used so far. The results of the thesis are of particular importance for the continuing efforts to construct reliable physics-based models of the inner heliosphere for use in space weather applications.I det tunna och heta magnetiserade plasmat, som kännetecknar solens korona, uppkommer soleruptioner som en följd av den komplicerade dynamiken i plasmat. I och med eruptionernas roll som huvudorsakaren av rymdvädret kan man ur en socioekonomisk synvinkel anse att soleruptioner är den viktigaste manifestationen av solens magnetiska aktivitet. Med begreppet rymdväder förstås sådana förhållanden i rymden som negativt kan påverka teknologiska system såväl i rymden som på jorden, till exempel telekommunikation, elsystem och satellitnavigering. I och med att nya rymdbaserade solobservatorier tagits i bruk de senaste två decennierna har instrumentationen som observerar den inre heliosfären förbättrats dramatiskt. Trots framstegen i observationsmöjligheterna är fysiken bakom soleruptionerna samt karaktären av diverse tillfälliga storskaliga fenomen som observeras i koronan i samband med eruptionerna fortfarande svårfångad. Ett sätt att uppnå en mera komplett förståelse av dessa fenomen är att konstruera modeller som kan simulera koronans och heliosfärens dynamik. I denna avhandling har ett simulationsverktyg utvecklats och tillämpats för att studera globala vågor och chockvågor i solens korona orsakade av soleruptioner så som koronamassutkast. Simulationsverktyget grundar sig på den magnetohydrodynamiska (MHD) beskrivningen av plasmor. Ett bärande tema är att diskutera rollen av dessa vågor i uppkomsten av fenomen som observeras i samband med koronamassutkast, exempelvis så kallade EIT vågor samt utbrott av energetiska partiklar. En svit av MHD modeller av solens korona har konstruerats i avhandlingen. Modellerna möjliggör studiet av koronans dynamik i varierande förhållanden och olika skeden av eruptionen. För detta ändamål har numeriska metoder som löser magnetohydrodynamikens ekvationer i ortogonala kroklinjiga geometrier i flera dimensioner utvecklats. Dessa numeriska metoder utgör grunden för det nya simulationsverktyget. Resultaten av modelleringen visar att en dynamiskt invecklad global chockfront, som övergår till en snabb magnetosonisk våg i närheten av solens yta, är en väsentlig och naturlig del av eruptionskomplexet. Dessa spelar en avgörande roll för uppkomsten av fenomen relaterade till eruptionen. Ett exempel är likheten mellan EIT vågen och den snabba magnetosoniska vågen på solens skiva. Detta antyder en vågtolkning av EIT vågorna. Simulationerna visar också att en icke-trivial evolution av chockvågens egenskaper på magnetiska fältlinjer i koronan förekommer även under relativt enkla omständigheter, vilket belyser behovet av att utveckla mera sofistikerade modeller för partikelacceleration i chockvågor i koronan. Avhandlingens resultat är av särskild betydelse för de fortsatta ansträngningarna att konstruera pålitliga fysikbaserade modeller av den inre heliosfären för applikationer med anknytning till rymdvädret.
URI: URN:ISBN:978-952-10-8075-3
http://hdl.handle.net/10138/34814
Date: 2012-07-26
Subject: teoreettinen fysiikka
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
magnetoh.pdf 5.563Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record