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Hidrodinámica y magnetismo estelares la convección estelar y las erupciones solares gigantes Hidrodinámica y magnetismo estelares la convección estelar y las erupciones solares gigantes Fernando Moreno Insertis Instituto de Astrofisica de Canarias

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Hidrodinámica y magnetismo estelares

la convección estelary las erupciones solares gigantes

Hidrodinámica y magnetismo estelares

la convección estelary las erupciones solares gigantes

Fernando Moreno InsertisInstituto de Astrofisica de Canarias

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Photosphere

Ca-K chromospheric emissionSOHO-EIT 284 Å coronal emission

Sch

arm

er, L

angh

ans

+ L

öfd

ahl

G-b

and

, AR

425,

200

3Au

g09

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TRACE (17.1 nm): emergence of an active region and flaring

1. 2.

3.

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I. To understand the fundamental features of the eruption processes in the Sun

II.

To model the emergence of magnetized plasma through the convection cells into the atmosphere

III.

Global, long-term objective: to disclose via numerical experiments the complicated structure of the atmosphere of the Sun and cool stars.

Objective of our numerical modeling efforts:

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Niels-Bohr Inst. , Copenhagen

• Klaus Galsgaard

University of St Andrews

• Alan Hood

• Vasilis Archontis (1. 2006 → )

• Michelle Murray

Instituto de Astrofisica de Canarias

• Fernando Moreno-Insertis

• Abel Tortosa

• Vasilis Archontis ( → 1. 2006)

Collaboration (since 2004)

Naval Research Lab., Washington

• Ignacio Ugarte

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• Hydrodynamics + magnetic fields

• No radiation transfer

• Simplified thermodynamics.

Part 1: high-temperature jets in the corona

A. Tortosa, F. Moreno-InsertisF. Moreno-Insertis, K. Galsgaard, I. Ugarte Urra

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Method used: • solve the equations of hydrodynamics for a magnetized plasma

• thermodynamics: ideal gas, no heat conduction

Mass, momentum andenergy conservation eqs

Faraday, Ohm, Ampere

+ equation of state

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Numerical code (Galsgaard + Nordlund)

• Explicit finite-difference scheme• Staggered, non-uniform (but non-adaptive) grid

• 6th order derivation + 5th order interpolation in space• 3d order Hyman update in time

• Shocks, current sheets, sharp transitions are resolved using hyperdiffusivity algorithms

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The background stratification

integration domain isothermal corona

steep temperature rise (T.R.)

isothermal photosphere

upper convection zone

Pressure contrast: 10

9

Density contrast: 2 10

10

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Typical computational requirements

Standard run: • Numerical grid of 512x512x512 points • RAM memory requirements: typically around 10 GB

Storage requirements: • Experiment with 100 snapshots: 400 GBs

Parallelization: • Excellent up to 512 CPUs• Method used: MPI

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Yohkoh’s high-velocity jets in soft X-Rays (SXT)

Shimojo et al, PASJ 48, 1996

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• Hinode XRT: observation of X-Ray jets in coronal holes

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Inverted-Y jet shapes

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Heyvaerts, Priest

& Rust 1977

Reconnection and jet emission following flux

emergence:

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Our results:

• We studied a jet that appeared right after a magnetic bipole emerged at the photosphere.

• Observations: → X-Rays and Extreme UV (Hinode satellite)

→ full disk magnetograms (SOHO MDI)

• Computer modeling:

→ study the emergence of magnetized plasma into a coronal hole

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3D numerical simulation

carried out

in the Marenostrum and LaPalma

supercomputing installations

of the Red Española de Supercomputación

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Background coronal field

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• For this experiment, physical values adequate to a coronal hole were used:

→ ρ ≈ 2 108 atoms cm-3

→ open ambient field lines→ coronal field strength: 10 G→ T ≈ 1.1 106 K

• Domain size:

(x,y,z) 34 000 km x 38 000 km x 33 000 km (5 000 km below, 29 000 km above the solar surface)

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Current distribution

(t=15 min)

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Velocity map

(t=22 min)

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3D view: current and temperature

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Temperature map

(t=22 min)

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Horizontal drift of the 2-chamber + jet structure

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Agreement between the numerical results and the observations

• Maximum jet velocity at 160 km /s

• Jet duration between 10 and 20 min

• Transverse (=drift?) velocities between 0 and 20 km / s

=> the overall agreement is excellent

• Observations: Savcheva etal 2007

• Statistics from 7197 polar jets using Hinode/Soho

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• Hydrodynamics + radiation transfer + + magnetic fields => realistic models of convective cells.

Part 2: Experiments with convection

A. Tortosa, F. Moreno-Insertis

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• The equation of radiation transfer is solved for I(ν, n, x)

→ along 24 rays at each grid point

→ for a number of frequency bins

• The radiative heating / cooling is calculated through:

Radiation transfer / heating of the plasma

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Simulation of emergence of magnetic flux across solar convection including

chromospheric layers

• Size of simulation domain: 16,000 km (x); 12,000 km (y); 3,800 km (z)

• Computational grid: 320 points x 240 points x 190 points

• Optical depth unity located ~ 2600 km above bottom boundary

• Open bottom boundary + periodic side boundaries

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Observation of emergence of an active region

in the solar photosphere

80-min 80-min GG-band movie of AR 8737 (Dutch Open Telescope) -band movie of AR 8737 (Dutch Open Telescope)

Area: 51 Area: 51 × 35 arcsec× 35 arcsec22

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Anomalous granulation during flux emergence episodes

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Temperature structure at the visible surface and at the chromosphere (t=12.6 min and t=14.5 min)Temperature structure at the visible surfaceand in the chromosphere (t=12.6, 14.5 min)

Temperature structure at the visible surfaceand in the chromosphere (t=12.6 min; 14.5 min)

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Topology of field lines issuing from photospheric concentrations

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Plasma dynamics and heating resulting from impact

by upcoming shock wave

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Some final points

• With 3D massively parallel numerical experiments important

aspects of the giant stellar eruptions can be explained.

• There is still a long way to go to understand some basic aspects and many details of those phenomena.

• The amazing pace of improvement of computing equipment and visualization tools promises fast progress in the coming years.