宇宙天気サマースクール 2008年8月28日ー31日（山梨県清里 清泉寮）

フレアにともなう質量噴出とコロナ質量放出柴田一成
京大理・花山天文台

講義予定
６章： フレアにともなう質量噴出とコロナ質量放出
６．１ はじめに（太陽とは？ フレアとは？ よくある質問）
６．２ フィラメント（プロミネンス）噴出６．３ コロナ質量放出
６．４ フレア衝撃波
６．５ 彩層蒸発６．６ フレアの現象論的磁気リコネクション・モデル
６．７ フレアの統一モデル（plasmoid-inducedreconnection model）

参考文献• Priest “Solar Magnetohydrodynamics”• Tajima and Shibata “Plasma Astrophysics”• Parker “Cosmical Magnetic Fields”• Svestka “Solar Flares”• 柴田一成、大山真満「写真集太陽」• 柴田、福江、松元、嶺重編「活動する宇宙」

太陽とは

可視光で見た太陽（光球＝６０００度）

黒点
（磁束管の
切り口）
しかし生成
機構は謎

SOHO
(NASA&ESA)

Ｈα線（水素原子のスペクトル線）で見た太陽（彩層＝１万度： 光球の上層大気）

2003年10月
京大飛騨天文台
ＳＭＡＲＴ望遠鏡

太陽コロナ

コロナは100万度もの超高温状態にある（1940年代発見）
なぜ、こんなに超高温になっているのか？
天文学最大のなぞの一つ

彩層
光球

柴田、大山 （２００４） 写真集 太陽（裳華房）より

フレアとは

フレアの発見• 最初の発見– １９世紀中頃– Carrington ,Hodgson– 可視光（白色光）– 黒点観測中– 白色光フレア• 本格観測は２０世紀になってから– スペクトロヘリオグラ
フ発明後– Ｈα単色光で彩層フレア観測が可能になる太陽フレアＨα１９世紀中頃発見
黒点近傍で発生＝＞
磁気エネルギーが源
サイズ〜（１‐１０）万ｋｍ
全エネルギー1029 - 1032erg（水爆１０万ー１億個）
太陽系最大の爆発現象

彩層
１万度

発生メカニズムが1世紀以上謎京大飛騨天文台太陽プロミネンス噴出（史上最大：１９４６年６月４日：米国）

コロナ質量放出（Coronal Mass Ejections = ＣＭ
Ｅ）
（ＳＯＨＯ／ＬＡＳＣＯ，可視光／人工日食）

速度〜１０‐１０００ｋｍ／ｓ、質量〜１０＾（１５）‐１０＾（１６）ｇ

太陽フレ
アから放
出される
電磁波

Ｘ線で見たコロナ（「ようこう」衛星による）

軟Ｘ線（1 keV)
２００万度ー
数千万度

フレアの正体Hα

X線

磁気リコネクション（磁力線つなぎかえ）フレアの磁気リコネクション・モデルのコンピュータ・シミュレーション（Yokoyama-Shibata 1998)

ようこう
軟Ｘ線望遠鏡で観測された太陽フレア（Tsuneta)

フレアとフィラメント噴出の関係

極紫外線で見たフレア（TRACE衛星：１００万度）

想像図

磁気リコネクションとは？
磁力線（「ゴムひも」に似た性質）

http://www-solar.mcs.standrews.ac.uk/~eric/

磁気エネルギーを短時間の内にプラズマの運動エネルギーや熱エネルギーに変換

地球磁気圏でも発生よくある質問よくある質問 １• フレアとプロミネンスの違いは？
• フレアとCMEの違いは？
• フレアとCMEとどちらが重要か？
• フレアが先かCMEが先か？
• リコネクションが先か、プロミネンス噴出／
CMEが先か？
• CMEはリコネクションが起きなくても起こるか？

よくある質問 ２• 粒子加速はどこで起きるか？
• リコネクションは境界条件だけで決まるのか？
それとも、ミクロな物理過程が本質的か？
• 電流が先か、磁場が先か？

よくある質問 ３• MHDは近似にすぎないから、太陽物理学者
もミクロなプラズマ運動論を使うべきか？
• 無衝突プラズマにもMHDを適用して良いか？
• 彩層は電離層と同じか？
• 彩層は「ほとんど中性気体」（弱電離プラズマ）だから、MHDは適用できないか？
• 彩層中で粒子加速は起きないのか？

平均自由行程

太陽コロナ・プラズマの
特徴的長さ
1/ 2

' kT $• デバイ長 *D = %2 "& 4)ne #1/ 2n' T $ '$
( 0.3cm% 6 " % 9 !3 "& 10 K # & 10 cm #(1

!1 / 2

1/ 2• ラーモア半径 r = mi vc ' 10cm& B # & T #Li• 平均自由行程$! $ 6 !
% 100G " % 10 K "

eB

1/ 2

1 ' kT $lmfp = % 2 "n& e #

2n' T $ '$
( 10 cm% 6 " % 9 !3 "& 10 K # & 10 cm #8!1

太陽コロナ・プラズマの特徴的時間• プラズマ振動数21/ 2& 4)ne #!!
* pi = $$% mi "• ラーモア振動数

tcoll =

m

(kT )
ne 4

n
&
#
' 10 Hz $ 9 (3 !
% 10 cm "
9

eB
& B #
6
(i =
' 10 Hz $!
mi c% 100G "• 電子ーイオン衝突時間
1/ 2
e

1/ 2

3/ 2

3/ 2

n
' T $ '$
( 10 sec% 6 " % 9 !3 "& 10 K # & 10 cm #!1

磁気レイノルズ数
VA L
Rm =
)
n
& B #&#' 10 $!$ 9 (3 !
% 100G "% 10 cm "(1 / 2142

磁気拡散係数(magnetic diffusivity)

3/ 2& T # & L #$ 6 ! $ 9 !
% 10 K " % 10 cm "
2 2

1/ 2

c
cem
+=
(
4)* 4) (kT )3 / 2' T $( 10 cm s % 6 "& 10 K #4

2!1!3 / 2

Dreicer 電場
dVVm= eE " mdt! coll! coll =V>Vth,e となると drag force が速度の増大とともに減少するのでrunaway acceleration が起こる。
V=Vth,e まで粒子を加速する電場のことをDreicer電場という! coll =mVth ,em 2Vth ,e

3

4

ne
3
m 2V
ne

for V < Vth ,efor V > Vth ,e43

ne ln !
ED ==2e" collmVth ,e

電場がDreicer電場を超える条件
電場は通常、VxB電場が大体の大きさを決める。
そこで E=VxB=EDとなる速度の大きさを求め!1!1
ると 6 'n$' T $ ' B $Vc = 2 (10 % 9 !3 "% 6 " %" cm / s& 10 cm #& 10 K # & 100G #コロナ中では、プラズマの音速は100km/s 程度なので、V>Vc はしばしば満たされる。よってコロナ中のVxB電場は
Dreicer電場を超え得る。これが粒子加速がコロナ中で起きる理由。
それに対して彩層中では、n > 10^11 cm-3 なので、通常 V<Vc。
したがって彩層中では、粒子加速は起きない。

平均自由行程

runaway 加速あり＜＝＝＞runaway 加速なし

プロミネンス（フィラメント）噴出プロミネンス（フィラメント）とは？
＝１万度の低温プラズマ

BigBearCourtesy of A. C. Steｒling
縁で光って見えるのが、プロミネンス（紅炎）＝日食の時に赤く見える
円盤内で暗く見えるのが、ダーク・フィラメント（暗条）

フィラメント（＝プロミネンス）
Hαフィラメント（＝プロミネンス）
磁場プロミネンスはなぜ浮かんでいるのか？

京大飛騨天文台撮影

プロミネンスのモデル

Kippenhahn-Schlueter

Kuperus-Raadu

Normal polarity

Inverse polarity

実際の磁場観測（Leroy et al. 1989）によれば静穏領域にある
巨大な静穏型プロミネンスでは逆極性が多く，活動領域内の小さなプロミ
ネンスでは正規極性が多いという．

Ｈα観測：しばしば、フレア時にプロミネンス噴出が発生

１９９８年９月２０日（飛騨天文台）史上最大：１９４６年６月４日（High Altitude Obs., USA)
プロミネンス（フィラメント）は、ヘリカル形状。
磁気中性線に沿って存在していたものが、
突然噴出

Eruptive prominence

乗鞍コロナ観測所

Double helical structure

From Tajima and Shibata (1997) Plasma Astrophysics
Chapter 2

Miyazaki (1993)

Eruptive prominence observed by
Nobeyama Radio Heliographterminology• prominence eruption• filament eruption• filament disappearance(Dispartion Brusque = DB)コロナ質量放出= Coronal Mass Ejections(CME)（注） コロナ大規模噴出と訳す人もいるが、米国人の太陽物理学者の友人（A.Sterling, J.Davis)に聞くと、Massは「大規模」の意味ではなくて、「質量」の意味だという

コロナ質量放出(CME=Coronal Mass Ejection)（スカイラブ、人工日食、白色光）

コロナ質量放出（Coronal Mass Ejections = ＣＭ
Ｅ）
（ＳＯＨＯ／ＬＡＳＣＯ，可視光／人工日食）

速度〜１０‐１０００ｋｍ／ｓ、質量〜１０＾（１５）‐１０＾（１６）ｇコロナ質量放出とフレア• 地磁気嵐を引き起こす直接の原因はコロナ質量放出（CME)（＝＞惑星間空間における南向きの磁場）• コロナ質量放出の約５０％はフレアに付随していない。（これらはフィラメント噴出に付随している）• フレアは地球にとって重要でない？
（Gosling’s flare myth)• フレアとコロナ質量放出の関係は？

巨大アーケード• １９９４年４月１４日• 大量のプラズマ噴出が起きているはずと世界に電子メイル通報• それにともなって起こる地球の巨大磁気嵐を予言• シカゴの電力会社の変圧器（数億円）を救う！
惑星間空間CMEが観測された（McAllister et al. 1996)

フレアとCMEの関係
フィラメント噴出プラズモイドは、いずれもCMEの一部

フレア・コロナ質量放出のモデル（2次元）(Shiota et al. 2005)

CME model （3次元）(Antiochos, DeVore, Klimchuk 1999)

フレアとコロナ質量放出の関係• フレア（周辺のコロナ）から噴出するガスがコロナ質量放出• コロナ質量放出の足元ではフレアに類似の物理現象が起きている• つまり、両者を区別する理由はない。「同じ」物理現
象の異なる側面を見ているにすぎない。
• 両者を区別する議論は生産的でない• しばしば物理と terminology の問題がごっちゃに議論されている
今後は、フレア／CME と統一的に扱う

フレア／CMEの残された謎• 磁気リコネクションの速さ（エネルギー解放率）を決める物理は何か？
• 解放された全エネルギーのうち、何％が非熱的粒子（太陽宇宙線）の加速に使われるか？
• エネルギー蓄積機構• トリガー機構

これらの問題を解決するには実験室プラズマ、磁気圏プラズマの研究者との協力が不可欠

フレア衝撃波フレアから発生する衝撃波(モートン波： Moreton 1960 が発見）

伝播速度７００ｋｍ／ｓ

コロナ中を伝播する
MHD fast
Shock が
彩層と交差
するところ
に対応
(Uchida1968)（Ｈα単色光：京大飛騨天文台）

彩層蒸発

Nagai (1980) 世界で最初のフレアルー
プ彩層蒸発の１次元流体シミュレーション

彩層蒸発＋リコネクションの２次元MHDシミュレーション（Yokoyama and Shibata １９９８、２００１）

フレアの構造（Yokoyama and Shibata 1998)

フレアの現象論的
磁気リコネクション・モデル

Ｈα観測のまとめ（その１）• しばしば、磁気中性線に沿って存在していたフィラメ
ント（プロミネンス）がフレア時に噴出• ときおり、フレアにともなって衝撃波（モートン波）が発生。伝播速度４００ー１２００ｋｍ／ｓ。
• 大きなフレアでは、二つの明るい領域がほぼ平行なリボン状（two ribbon）となり、時間とともにその間隔が広がっていく。広がる速度は初期は数１０ｋｍ／ｓ。次第に減速（後半では数ｋｍ／ｓ）。
• 二つのリボンは、磁極のＮＳに対応。

Ｈα観測のまとめ（その２）• 後期には、ループプロミネンスが、two ribbon
をつなぐように発生。１万度プラズマが雨のよ
うに落下。

USA, NSO
1957 June 28

太陽フレ
アから放
出される
電磁波
Ｘ線バースト軟Ｘ線＝＞フレアの本体は数千万度プラズマ磁場との関連• 大部分のフレアは黒点近傍（活動領域）で発生。磁場強度は、平均１００Ｇ程度。
• フレアは、浮上磁場（emerging flux)
磁気シアー(magnetic shear)にともなうことが多い。

現象論的
磁気リコネクションモデル
（Carmichael 1964, Sturrock 1966,
Hirayama 1974, Kopp-Pneuman 1976)＝
CSHKPモデル

Prof P. Sturrock and his wife
(1999) 花山天文台にて

現象論的
磁気リコネクション・モデル（３次元構造）フレアの統一モデル
plasmoid-inducedreconnection model
as extension of CSHKP model太陽フレアの謎
ジュール散逸ではフレアを説明できない
2

14

2

3/ 2

t D = L / # " 10 L9 T6
磁気拡散時間（電流散逸時間）
4 !3 / 2# = #Spitzer " 10 T62s2

cm / s3

フレア発生時間

t flare = 10 ! 10 sec

Ａｌｆｖｅｎ時間t A = L / VA = 10 sec

磁気レイノルズ数

Rm = t D / t A >> 1

最初の磁気リネクション理論
Ｓｗｅｅｔ‐Ｐａｒｋｅｒ モデル（１９５７）
ジュール散逸より格段に速くなったが、まだフレアを説明するには、おそいt ! t A Rm

1/ 2

Petschek モデル(1964)
速い、しかし、拡散領域があまりにも小さいt " tA (8 / ! ) log Rm

l ! 0.1cm

Parker

Petschek

Prof E. N. Parker andShibata太陽コロナ・プラズマの特徴的長さ• ラーモア半径

(1

1/ 2

mi vc
& B # & T #rLi =' 10cm$! $ 6 !
eB
% 100G " % 10 K "• 平均自由行程

2

2

1 ' kT $n' T $ '$
8
lmfp = % 2 " ( 10 cm% 6 " % 9 !3 "n& e #& 10 K # & 10 cm #• フレアのサイズ

rflare ! 109 cm!1

太陽フレアの正体は？
• 磁気エネルギーの解放が原因＝＞１９７０年代に確立• 爆発のメカニズムは
磁気リコネクションか？
（Petschek model は有望だが、理論的困難が残る。１９９０年代まで論争が続く）

観測からのヒント：
プロミネンス噴出
フレアにともなうことが多い
現象論的リコネクショ
ン・モデル

史上最大のプロミネンス噴出（１９４６年６月４日、HAO)

本当に磁気リコネクション
は起きているのか？
現象論的リコネクション
モデル（ＣＳＨＫＰ モデル；
Carmichael 1964,
Sturrock 1966, Hirayama 1974,
Kopp-Pneuman 1976)

は正しいか？＝＞これを検証するには、Ｘ線観測が必要＝＞ようこう「ようこう」が見たフレア（長寿命(LDE)フレア：
軟Ｘ線〜１keV、 Tsuneta et al. 1992 ）電子温度〜１０＾７ Ｋ、 電子密度〜１０＾（１０）ｃｍ＾（‐３）

フレアにともなう
プラズモイド噴出

ようこう軟Ｘ線像
プラズモイド速度＝約３００ｋｍ／ｓ

長寿命フレア ｖｓ インパルシブ・
フレア
寿命
１時間以上
サイズ
大
発生頻度
少ない
軟Ｘ線像 カスプあり
磁気リコネクション説でOK

１時間以下
小
多い
カスプなし
磁気リコネクション説では説明できない！？

インパルシブ・フレアにおける
ループトップ硬Ｘ線源の発見(Masuda et al. 1994 Nature)
カラー：
軟Ｘ線像
（1keV）
等高線：硬Ｘ線(30keV)=>高エネルギー電子
ループトップ〜１億度

統一モデル• ループトップ硬Ｘ線源
は、fastshock か？
2

T ! mVA /(6k )8! 10 K

Ｘ線プラズ
モイド噴出
を予言
V jet ! VA ! 1000km / sインパルシブ・フレアの上空にプラズモイド発見
プラズモイド速度〜１３０‐２００ｋｍ／ｓ• Ohyama and Shibata(1997,1998): プラズモ
イド噴出とリコネクショ
ンは密接に関係

TRACEの見たフレア（極紫外線：１００万度）

コロナ質量放出（ＣＭＥ）（ＳＯＨＯ／ＬＡＳＣＯ，
可視光／人工日食）

速度〜１０‐１０００ｋｍ／ｓ、質量〜１０＾（１５）‐１０＾（１６）ｇコロナ質量放出にともなう巨大アーケード• １９９４年４月１４日• 大量のプラズマ噴出が起きているはずと世界に電子メイル通報• それにともなって起こる地球の巨大磁気嵐を予言• シカゴの電力会社の変圧器（数億円）を救う！

太陽コロナにもジェット発見• 足元でマイクロ・フレア• 長さ＝数万ー
数１０万ｋｍ• 速度＝１０‐
１０００ｋｍ／ｓ（Ｘ線／ようこう）

太陽ジェットの磁気リコネクション・モデル（Yokoyama and Shibata 1995 Nature 375, 42)

温度分布： 斜め磁場の場合

フレア観測のまとめ
現象

長さ
(L)

寿命
(T)

Alfven
Time
(TA)

T/TA

Mass
ejection

大フレア

数万ー数 １時間
１０万ｋｍ ー数日

~１００
３０ー
１０００秒

プラズモイ
ド

小フレア

千ｋｍー
数万ｋｍ

１ー３０秒 ~１００

ジェット

数分ー
１時間

フレア・ジェットの統一モデル(a,b)： 大フレアとプロミネンス噴出
コロナ質量放出(c,d) ：小フレアとジェット
2dE B 2B#
Vin L2 # 10"2
VA L2
エネルギー解放率＝
dt 4!
4!

回転噴出ジェット・フィラメント
（京大飛騨天文台：黒河ら１９８８）

レッドシフト ブルーシフト

合成「ようこう」によってリコネクションが起きていることは確かになったが、リコネク
ションの基礎物理は解明されたか？
• 答： まだ解明されていない。
• 速いリコネクションの要因は？
＝＞プラズモイド噴出とリコネクションのカップリングではないか？

Ｘ線プラズモイド高度ー
時間変化
高さ１０万ｋｍ• Ohyama andShibata (1997): プ
ラズモイド噴出とリコ
ネクションは密接に関係
プラズモイドが急激
時間 に加速されるときに激しいエネルギー解放が起きている

CME height vs. SXR light
curve (Zhang 2001)

Laboratory experiment(Ono et al. )Role of Plasmoid
1. To store energy by inhibitingreconnection

2. To induce strong inflow into
reconnection region

Plasmoid Velocity vs.
Reconnection Inflow Velocity• Yohkoh/SXT observations (Shibata et
al 1995, Shimizu et al. 2008) show

V plasmoid ! Vloop

Vloop = apparent rise velocity
of flare loop

Vloop = ( Bin / Bloop ) ! Vin
Shimizu et al. 2008, ApJLAnalytical model ofplasmoid-inducedreconnection:
nonlinear instability

Analytical model ofpasmoid-induced-reconnection :saturation of nonlinear instability

Typical analytical solution

Yohkoh/SXT Obs.
(Ohyama and Shibata
1997)

ChenShibata(２０００)
浮上磁場が既存磁場の平衡をこわすためプラズマ噴出がトリガーされるPlasmoid height vs.
reconnection rate
• If we inhibit
reconnection, fastmass
ejection
can notoccurフレアサイズ（１万ｋｍ）とミクロプラズマのスケール（１ｍ）とのギャップは、いかに克服するか？
• フラクタル電流シート（ＭＨＤ乱流）を考える
必要があるのではないか？ (Tajima andShibata 1997)

Fractalnature ofcurrent
sheet(Shibata andTanuma2001)

残された謎• リコネクション・ジェット、
リコネクション・インフ
ローは、どこにあるのか？
• リコネクション率は、何で決まっているのか？

以下、参考資料

フレア／コロナ質量放出（CME)は予報できるか？

フレア／コロナ質量放出はどこで起きるか？
• 磁気中性線• 磁気シアーのある場所

磁気シアーなし

磁気シアーありフレア／コロナ質量放出はどこで起きるか？
• 磁気中性線• 磁気シアーのある場所

磁気シアーなし

フィラメント磁気シアーありフィラメント（＝プロミネンス）
Hαフィラメント（＝プロミネンス）
磁場Observations of emerging flux
triggering filament eruption(Feynman and Martin 1994)

ChenShibata(２０００)
浮上磁場が既存磁場の平衡をこわすためプラズマ噴出がトリガーされる大フレアの予報は経験的に可能！？

大フレアはδ型黒点群で発生する
頻度が高い
α型
β型

δ型

フレアの発生頻度とδ型黒点群の関係
GOES flare class

C

M

大フレア

１９８６‐１９９６
全黒点群
39.7 % 14.4 %(3089)
δ型以外の黒点群 32.2 %7.1 %(2698)
δ型黒点群91.3 %
64.5 %
(391)

X

2.2 %
0.3 %
15.9 %

From Ishii (2001)

δ型黒点群の正体？
ねじれた磁束管Kurokawa(1987)
Tanaka(1990)
Ishii et al.(1998, 2000)

フレア・CME予報は可能か？
まとめ• 浮上磁場によるトリガーが有力＝＞観測・理論の発展が望まれる• 大フレアの発生にはδ型黒点が重要＝＞ねじれた磁束の浮上
3次元モデリングが必須

次の資料も、一部、上記と重複しているが、国際天文学連合（IAU）シンポジウムでの専門家向けのレビュー講演PPTなので、参考にしてください（短い集録レビュー論文も出ています）

IAU Symposium No. 226
Coronal and Stellar Mass Ejections
Sep 13-17, 2004, Beijing, China

Theories of Eruptive Flares
K. Shibata
Kwasan and Hida Observatories
Kyoto University

contents
1. Introduction
2. Present Status of Reconnection Theory
3. Standard model (CSHKP Model = CarmichaelSturrock-Hirayama-Kopp-Pneuman model)
4. Aly-Sturrock theorem
5. Current Sheet Formation Models
6. Triggering Mechanism
7. Chen-Shibata model and Its Recent
Development
8. Remaining Questions
No comment on non-reconnection CME model1. Introduction• Recent space observations such as Yohkoh,
SOHO, TRACE have revealed various evidenceof magnetic reconnection and common
properties in flares/CMEs, leading to unified viewof flares/CMEs.

Impulsive flares（Masuda)LDE flares(Tsuneta)

Giant arcades (CMEs)(McAllister)Plasmoid (flux rope) ejections

large flares~ 10^10 cm(Hudson)small flares~ 10^9 cm(Ohyama-Shibata)coronal mass ejections(CMEs) from larger flares/arcades~ 10^11 cm (Dere)

Plasmoid Acceleration
during impulsive phase(Ohyama and Shibata
1997) observed with
Yohkoh/SXT(see also
Kahler et al. 1988,
Sterling et al. 2003,,,)

There is evidence ofPreflare heating ~10MK

Ohyama & Shibata (1997)

CME height vs. SXR light
curve (Zhang 2001)

Laboratory experiment(Ono et al. 2000 )2. Present Status of Reconnecton
Theory• Basic physics of magnetic reconnection
has not yet been established• Now is the stage that laboratory, space,and solar plasma physicists arecollaborating to solve this basic physics

Puzzles of Magnetic Reconnection• Reconnection rate (~ 1/trec) ?

– What is the condition for fast reconnection ?

• Structure of Reconnection Region ?
– Sweet-Parker vs Petschek( i.e., no shock vs slow shock)• How much fraction of energy goes to nonthermal
particles ?

Sweet-Parker model(1957,58)

Petschek model(1964)

1/ 2

t rec " t A log Rmt rec " t A Rm
6

7

" 10 ! 10 t A

Rm = VA L / !

Slow reconnection" 10 ! 100 t A

Fast reconnection

Which is occurring ? Other models ?

Further Questions• How are energy stored ?
shearing motion ?
emergence of twisted flux tube ?
• What is the triggering mechanism forflares/CMEs ?
• What is the role of magnetic helicity
in flares/CMEs ?
=> Talks by Kusano, Hu

3. Standard Model(CSHKP model : Carmichael (1964)-Sturrock(1966)-Hirayama (1974)-Kopp-Pneuman (1976))

Brief history• At first, US people called “Kopp-Pneuman”
model• Shibata proposed to change it to “SHKP
model” in 1991
• Sturrock added “C” just in front of “SHKP”
in 1992

Carmichael (1964)• Carmichael, H., "A process for flares," in AAS-NASA
Symposium on the Physics of Solar Flares, NASA SP30, p. 451 (1963).

http://solarmuri.ssl.berkeley.edu/~hhudson/cartoons/Sturrock (1966)
Sturrock, P. A., Nature 211, 695 (1966)

Hirayama(1974)
Hirayama, T.,
Solar Phys.
34,
323, 1974

Kopp-Pneuman (1976).
• Kopp, R. A., and Pneuman, G. W., Solar
Phys. 50, 85 (1976).

Evoluton of models(Priest-Forbes 2001)

First MHD Simulation of Reconnection including
Heat Conduction and Evaporation(Yokoyama and Shibata 1998, 2001)

T!B

6/7 2/7

L" = 8!p / B
Talk by Yokoyama

2

4. Aly-Sturrock Theorem

Is this a real difficulty ?

Barnes and Sturrock 1972
• force free field#" B =! B! = ! ( x, y, z ) = non-constantBarnes and Sturrock 1972

Aly (1984)• Aly (1984) presented a conjecture“the energy of any smooth force free fieldoccupying a “half coronal space” should
be smaller than the energy of the so-called
open field having the same flux distribution
on the plane photospheric boundary”

Yan, Sturrock, Antiochos (1986)• “Our new results differ from the earlier results ofBarnes and Sturrock and we conclude that theearlier article was in error.”

Sturrock (1991)
showed“Aly’s conjecture
is valid”
Aly-Sturrock theorem

Flare scenario

X
From Priest-Forbespossible ways out of this dilemma• True opening of field line is not necessary
for reconnection and mass ejections (Aly1991)
• Non-force free (e.g., gas pressure,gravitational) (Sturrock 1991)• Initially partly open, partly closed field(Sturrock 1991)

Other ways out of the dilemma• Cylindrical axisymmetric geometry withspherical boundary (Lynden-Bell and Boily
1994)• Resistive process (Mikic and Linker 1994)• Quadrupole magnetic field (Antiochos etal. 1999)=> break out model, manymodels• Two bipole sources (Choe and Cheng
2002)

Why multipolar flux system isfavorable ?

Bipolar
Flux system

Multipolar
Flux system

Large energy
Is necessary
To escapeSmall energy
Is enoughTo escape5. Current Sheet Formation(Energy Storage) Model• Converging flux Model(Sweet 1958, Uchida 1981, 1996,
Priest et al. 1994, Parnel et al. 1994)• Emerging flux Model(Heyvaerts et al. 1977, Forbes-Priest 1984,
Shibata et al. 1992, Yokoyama-Shibata 1995)• Sheared or Converging Arcade Model(Mikic et al. 1988, Biskamp and Welter 1989,
Forbes 1990, Kusano et al. 1995,
Choe and Lee 1996, Magara et al. 1997,
Hu 2001, Choe-Cheng 2001)(=> emergence of twisted flux tube)

Emergng flux model
Shibata, Nozawa, Matsumoto (1992)(see Yokoyama-Shibata 94, 95, 96)

Unified model(plasmoid-induced
reconnection model)(a,b)： giant arcades,
LDE/impulsive
flares, CMEs(c,d) ：impulsive flares,
microflares, jets

Energy release rate＝)+ ( !
!
%"# $!
)* &'Plasmoid Acceleration
during impulsive phase(Ohyama and Shibata
1997) observed with
Yohkoh/SXT(see also
Kahler et al. 1988,
Sterling et al. 2003,,,)

There is evidence ofPreflare heating ~10MK

Ohyama & Shibata (1997)

Role of Plasmoid
Which iscause andeffect ?
plasmoid
ejection orreconnecton ?

Fractalreconnection(Shibata andTanuma 2001)

Observed fractal-like hard X-ray andmicrowave emissions may be a resultof fractal plasmoid ejections ?

(Tajima and Shibata 1997)

6. Flare Triggering Mechanism• Break Out Model (Antiochos)• Tether-Cutting Model (Moore)• Catastrophe Model (Forbes, Lin)=>talk by Forbes
Two-step Reconnection Model(Wang-Shi, Chen-Shibata)

Break-Out model(Antiochos, DeVore, Klimchuk 1999)

Two step reconnection model(Wang-Shi 1993, Chen-Shibata 2000,
Kusano et al. 2004)
reconnection (cancellation) associated with emerging flux
sudden decrease in magnetic pressure
downflow
inflow
fast reconnection at
upper X-point

Emerging flux

7. Chen-Shibata (2000) model• Chen et al.
(2002, 2004)• Shiota et al.
(2003, 2004?)• Nishida et al.
(2004?)(see also Lin et al. 2001)

Discovery of Spiral Slow shocks and Dimming
associated with magnetic reconnection(Shiota et al. 2004)
current density

plasma density

Propagation of slow shock (Shiota)
gas pressure

The white lineis the slow
shock front
Slow shocks continue to propagate
and make a discontinuity
along the field lines around the flux rope inside the flux rope

Three-Part Structureedge?
cavitycore
SOHO/LASCO
density t=100
The numerical results reproduce the three-part structure.
.

Model of impulsive flares

Nishida et al. 2004 in preparation

Low and Zhang, M. (2002)

InverseSlow CME

NormalFast CME？

8．Remaining Questions• Condition of fast reconnection ?
（=> plasmoid ejection ?)• Energy storage mechanism,
trigger mechanism ? (=> emerging flux ?)• Detection of reconnection jet,inflow, and MHD shocks＝＞Solar B (2006)