Vortices in the solar atmosphere

Abstract

La atmósfera solar es un medio altamente dinámico compuesto de plasma, gas cargado y de alta temperatura, y campos magnéticos en constante movimiento. El movimiento del plasma y su interacción con el campo magnético subyacente da lugar a toda clase de fenómenos hidrodinámicos, magnéticos y magnetohidrodinámicos. Uno de los fenómenos solares que más atención ha recibido en los últimos años son los vórtices presentes en la atmósfera solar. Los vórtices son regiones donde el plasma rota respecto a un eje. Son prometedores medios de transporte de materia y energía desde el interior solar hasta las capas más altas de la atmósfera. Además, su estudio es relevante para entender el almacenamiento y liberación de energía magnética y la generación de eventos de reconexión magnética. A pesar de los avances recientes fruto de este gran interés, el estudio de la vorticidad en la atmósfera solar es todavía una zona activa de investigación con numerosas preguntas abiertas. Una mejor comprensión de la vorticidad y su papel en la atmósfera solar ayudará a obtener una comprensión más profunda de los procesos y fenómenos subyacentes que forman el Sol e impulsan el clima espacial. En este trabajo nos centraremos en el estudio de vórtices en la atmósfera solar por medio de simulaciones numéricas realistas. En concreto, se emplearon dos series temporales que difieren en la configuración de campo magnético inicial. En ambas simulaciones se identificó la presencia de vórtices mediante diferentes criterios, incluyendo el “swirling strength” y su versión mejorada “Enhanced swirling strength”. Este método consiste en la obtención de un parámetro escalar 𝜆 (swirling strength) a partir del análisis de autovalores y autovectores del tensor gradiente de velocidades en cada punto de la caja simulada. Posteriormente se aplicarán una serie de filtros para descartar regiones transitorias, de tamaño muy reducido o que rotan muy lentamente. Al tener identificados todos los vórtices en las distintas series temporales, se llevaron a cabo distintos análisis estadísticos para el estudio de las propiedades de estos y el rol que juegan en el transporte de energía en la atmósfera solar: • Propiedades de los vórtices: Distribución de volúmenes (en píxeles) de los vórtices. También se comprobó la naturaleza de los vórtices a través del estudio de la ecuación de vorticidad y sus distintos términos. • Propiedades del plasma: Se estudió cómo varían las propiedades del plasma en zonas donde se han identificado vórtices en comparación con las propiedades medias del plasma. En concreto nos centramos en la densidad de energía cinética. • Vector de Poynting: Se estudió la estructura del vector de Poynting vertical para comprobar si las regiones con vórtices son zonas de propagación de energía magnética de las capas bajas a las capas altas de la atmósfera solar. • Relación entre vórtices y temperatura: Finalmente, se han hecho histogramas 2D (Temperatura - Swirling strength) para comprabar si hay correlaciones directas entre la temperatura y la velocidad de rotación de los vórtices a distintas capas de la atmósfera solar. Hemos comprobado que las regiones identificadas como vórtices presentan distintas características según la capa de la atmósfera solar en la que se encuentren y según la configuración magnética inicial. En interior solar, donde gobierna la convección, la mayoría de los vórtices presentan una estructura irregular y un tamaño pequeño, debido a que estos se forman principalmente por efectos puramente hidrodinámicos. En la fotosfera vemos un descenso importante en el número de vórtices identificados. Debido a las condiciones físicas del medio, y que la convección deja de gobernar, las zonas que se identifican como vórtices son principalmente los extremos de vórtices grandes que conectan la fotosfera con la cromosfera. En la cromosfera hemos visto que la configuración de campo inicial afecta mucho a la forma y tamaño de los vórtices. En los modelos donde inicialmente se impone un campo magnético vertical, los vórtices toman forma alargada casi puramente vertical, envolviendo los tubos de flujo magnético. En cambio, en los modelos donde el campo es generado por dinamo local y es más caótico, las formas son más irregulares y los tamaños más diversos. Seguidamente, hemos evaluado la contribución de los vórtices al transporte de energía. Para ello, se ha cuantificado la densidad de energía cinética y la componente vertical del vector de Poynting para diferentes alturas del interior y la atmósfera solar. Hemos comparado estas magnitudes en las regiones identificadas como vórtices y las regiones fuera de los vórtices. Nuestros resultados indican que generalmente ambas variables son mayores en los vórtices que fuera de ellos, confirmando la hipótesis de que son estructuras óptimas para el transporte de energía en la atmósfera solar. Finalmente, se ha estudiado la contribución de los vórtices al calentamiento de la atmósfera solar. Se ha evaluado la correlación entre temperatura y “swirling strength”. Hemos visto que la correlación entre estas variables cambia según la capa en la que nos encontremos. En el interior solar, hemos comprobado que no hay una correlación evidente entre ambas magnitudes. En la fotosfera, las regiones con mayor temperatura están producidas casi exclusivamente por regiones con baja “swirling strength”. En cambio, en la cromosfera vemos que las regiones con mayor “swirling strength” presentan temperaturas altas. Especulamos que estas correlaciones se deben al transporte de energía desde la fotosfera hasta la cromosfera en los vórtices.