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Flare Loops 1d Gas dynamics & 0d models Lecture 9 Feb. 15, 2017

Flare&Loops& - Montana

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Flare  Loops  

1d  Gas  dynamics  &  0-­‐d  models  Lecture  9  

Feb.  15,  2017  

u  A  

s=0   s=L  

E = −u×B = 0

B ||u = u b̂b  ^   Flow  inside  a  staBc  

tube:      length  coord  s                                X-­‐secBon  A(s)  

∂ρ∂t

= −∇⋅ (ρu) ∂ρ∂t

= −1A∂∂s(Aρu)  

ρ∂∂t+u ⋅∇

$

%&

'

()u = −∇p+

1cJ×B+ ρg+∇⋅ µ∇u( )

ρ∂u∂t+u∂u

∂s"

#$

%

&'= −

∂p∂s+ ρg|| +

∂∂s

43 µ

∂u∂s

"

#$

%

&'component        b̂

u  A   b  ^  

 

ρcv∂T∂t

+u ⋅∇T$

%&

'

()= −p ∇⋅u( )+µ ∇u 2

−∇⋅Fc − Lrad

32 p = ρcvT

Thermal  energy  density  

ρcv∂T∂t

+u∂T∂s

"

#$

%

&'= −

pA∂∂s

Au( )+ 43 µ

∂u∂s

2

−1A∂∂s

AFc( )− Lrad

Energy  equaBon  

conducBve  flux   radiaBve  loss  

viscous  heat  p  dV  work    

s=0   s=L  

T(x)  

x  

nv  

nv  parBcle  flux:  same  both  direcBons  

32 kbT+

32 kbT−

(3/2)  nv  kbT+  

(3/2)  nv  kbT-­‐  

energy  flux:  greater    from  leU  

Fc = 32 nvkb T+ −T−( )

Conduc*ve  flux  T− = T (x + 1

2 ℓmfp )

T+ = T (x − 12 ℓmfp )

ℓmfp

Fc ≈ − 32 nvkbℓmfp

∂T∂x

IF  gradient  is  shallow    or  m.f.p.  is  small  

!Fc = −κ∇T

=  κ

Fourier’s  law  –  classical  heat  flux  

Fc  

T(x)  

x  

T− = T (x + 12 ℓmfp )

T+ = T (x − 12 ℓmfp )

ℓmfp IF  gradient  is  shallow    or  m.f.p.  is  small  

=  κ

κ = 32 kbvthnℓmfp = 3

2kbvthσ sc

σ sc ~q4

m2vth4

κ ~ kbm2vth

5

q4~ kb

7/2

m1/2q4T 5/2

e-­‐s  :  smallest  m    most  heat  flux  

κ =  κ0 T5/2    [erg  cm-­‐2  s-­‐1  K-­‐1]

 κ0 ≃  10-­‐6  erg  cm-­‐2  s-­‐1  K-­‐7/2  

Conduc*ve  flux  Fc = 3

2 nvkb T+ −T−( )

Fc ≈ − 32 nvkbℓmfp

∂T∂xRutherford  sca\ering  

T(x)  

x  

nv  

nv  parBcle  flux:  same  both  direcBons  

32 kbT+

32 kbT−

(3/2)  nv  kbT+  

(3/2)  nv  kbT-­‐  

energy  flux:  greater  from  leU  

T− = T (x + 12 ℓmfp )

T+ = T (x − 12 ℓmfp )

ℓmfp

Fc < 32 nvth kbT+ = 3

2 nekb3/2

me1/2 Te

3/2

IF  NOT  

Free-­‐streaming  heat  flux:  

upper  bound  

=Ffs  

Fc  

Conduc*ve  flux  Fc = 3

2 nvkb T+ −T−( )

ℓmfp = 2rg

Fc ≈ − 32 nvkbℓmfp

∂T∂x=  κ

κ⊥ = 32 kbnveff ℓmfp = 6kbnrg

2νcol = 6kbnvth2

Ωc2 νcol

vth  

vth  rg =

vthΩc

= 6kbvthnvthνcol

!

"#

$

%&νcol

Ωc

!

"#

$

%&

2

κ⊥ = 6kbvthσ sc

νcol

Ωc

#

$%

&

'(

2

= 4κ ||νcol

Ωc

#

$%

&

'(

2

1/σsc  

~10-­‐14  

ConducBve  flux  ⊥  to  B  

B  

Heat  flows  ONLY  ||  to  B  

Constraints  on  heat  flux:  !Q = −∇⋅

"Fc

dSdt

=!QTd3x

V∫ = −

∇⋅"FcT

d3xV∫ = −

"FcT⋅d#a −

∂V$∫

"Fc ⋅∇TT 2

V∫ d3x

Volumetric  heaBng  

Entropy  change  

2nd  law  of  thermo:    !Fc ⋅∇T ≤ 0

heat  exchange  across  bndry  

∇T ⋅Fc = − ∇T( ) ⋅

κ ⋅ ∇T( )Classical  flux:  

κ  must  have  no  nega*ve  e-­‐values  

Z(+s)  e-­‐  vi  

vf  

hν=ΔE  

•  e-­‐  collides  with  element  Z  ionized  +s  •  e-­‐    loses    ΔE  =  me(vi2  -­‐  vf2)/2  •  excites  ion  to  state  @  ΔE    •  ion  de-­‐excites,  emieng    γ    w/  hν=ΔE  •   γ  escapes  to  ∞      carrying  away  ΔE  

opBcally  thin  radiaBon  

γ    ΔE  collisional  excitaBon  

spontaneous  emission  

Energy  loss  by  op*cally  thin  radia*on  

•  excitaBon  cross  secBon:     σZ,s(ve)  

•  average  γ  energy   εZ,s(ve)  

•  rate  of  energy  loss    per  e-­‐  

Energy  loss  by  op*cally  thin  radia*on  

Ee = nZ ,sveσ Z ,s (ve )εZ ,s (ve )

nZ ,snee−meve

2 /2kbTe

(2πkbTe /me )3/2 veσ Z ,s (ve )εZ ,s (ve ) d

3ve∫

Assump*on  I:  e-­‐s  have  Maxwellian  dist’n  w/  temp  Te  

RZ,s(Te)    [erg  cm3  s-­‐1]    volumetric    energy  loss  rate  [  erg  cm-­‐3  s-­‐1]                      to  Z(+s)  

Z(+s)  e-­‐  vi  

ΔE   γ    

LZ,s  =    

collision  frequency  

#  density:  nZ,s  

sum  over  all  transiBon!  

Assump*on  I:  e-­‐s  have  Maxwellian  dist’n  w/  temp  Te  

LX,s  =    

Assump*on  II:  ionizaBon  equilibrium:              fracBon  FZ,s(Te)  of  element  Z  ionized  

 to  +s              nZ,s  =  FZ,s(Te)  nZ    

X(+s)  e-­‐  ve  

ΔE   γ    

RX,s(Te)    [erg  cm3  s-­‐1]    volumetric    energy  loss  rate  [  erg  cm-­‐3  s-­‐1]                      to  X(+s)  

nX,snee−meve

2 /2kbTe

(2πkbTe /me )3/2 veσ X,s (ve )εX,s (ve ) d

3ve∫

Energy  loss  by  op*cally  thin  radia*on  

FFe,s(T)    

s=3  

s=16  

Assump*on  I:  e-­‐s  have  Maxwellian  dist’n  w/  temp  Te  

Assump*on  II:  ionizaBon  equilibrium:              fracBon  FZ,s(Te)  of  element  Z  ionized  

 to  +s              nZ,s  =  FZ,s(Te)  nZ    

Z(+s)  e-­‐  ve  

ΔE   γ    

Assump*on  III:  known  abundances                      nZ  =  AZ  nH  

ne = nHAZ sFZ ,s ≈ nH 1+ 2AHe( )s∑

Z∑ ≈1.17nHH  &  He  fully  ionized:  

Energy  loss  by  op*cally  thin  radia*on  

nZ ,snee−meve

2 /2kbTe

(2πkbTe /me )3/2 veσ Z ,s (ve )εZ ,s (ve ) d

3ve∫

RZ,s(Te)    [erg  cm3  s-­‐1]    volumetric    energy  loss  rate  [  erg  cm-­‐3  s-­‐1]                      to  Z(+s)  

LZ,s  =    

Assump*on  I:  e-­‐s  have  Maxwellian  dist’n  w/  temp  Te  

Assump*on  II:  ionizaBon  equilibrium:              fracBon  FZ,s(Te)  of  element  Z  ionized  

 to  +s              nZ,s  =  FZ,s(Te)  nZ    

Z(+s)  e-­‐  ve  

ΔE   γ    

Assump*on  III:  known  abundances                      nZ  =  AZ  nH  

ne = nHAZ sFZ ,s ≈ nH 1+ 2AHe( )s∑

Z∑ ≈1.17nHH  &  He  fully  ionized:  

Energy  loss  by  op*cally  thin  radia*on  

nZ ,snee−meve

2 /2kbTe

(2πkbTe /me )3/2 veσ Z ,s (ve )εZ ,s (ve ) d

3ve∫

RZ,s(Te)    [erg  cm3  s-­‐1]    volumetric    energy  loss  rate  [  erg  cm-­‐3  s-­‐1]                      to  Z(+s)  

LZ,s  =    

volumetric  energy  loss  rate  to  Z(+s)  

Assump*on  II:  ionizaBon  equilibrium:              fracBon  FZ,s(Te)  of  element  Z  ionized  

 to  +s              nZ,s  =  FZ,s(Te)  nZ    

Z(+s)  e-­‐  ve  

ΔE   γ    

Assump*on  III:  known  abundances                      nZ  =  AZ  nH  

H  &  He  fully  ionized:  

LZ ,s = nenZ ,sRZ ,s (Te ) =ne2

1.17AZFZ ,s (Te )RZ ,s (Te )

L = ne2 AZ

1.17FZ ,s (Te )RZ ,s (Te )

s∑

Z∑ = ne

2 Λ(Te )volumetric  energy  loss  rate    [  erg  cm-­‐3  s-­‐1]   RadiaBve  loss  funcBon  Λ(Te)  

Energy  loss  by  op*cally  thin  radia*on  

ne = nHAZ sFZ ,s ≈ nH 1+ 2AHe( )s∑

Z∑ ≈1.17nH

Emission  measure  

e-­‐  

ΔEij   γ     λij = hc/ΔEij  j  

i  

Corona  &  TR:    mostly  opBcally  thin  •  Collisional  excitaBon  •  Spontaneous  emission  

Iλ = ne2 (x)Gλ[Te(x)]∫ d3x ≈Gλ (Te ) ne

2 (x)∫ d3x

Emission  measure:  EM  [  cm-­‐3  ]  

Regions  of  highest  density  emit  most  –        ne  ↑  ×  10                 I ~    EM    ↑  ×  100    

a  sidebar  

The  1d  flare  loop  

u  A   b  ^  

∂ρ∂t

= −1A∂∂s(Aρu)

ρ∂u∂t+u∂u

∂s"

#$

%

&'= −

∂p∂s+ ρg|| +

∂∂s

43 µ

∂u∂s

"

#$

%

&'

ρ(s,t),      u(s,t)    &      T(s,t)  

Fixed      A(s)      &      g||(s)  

p = kbmρT cv =

32kbm

Source  of  flare  energy  

S=L  S=0  

ρcv∂T∂t

+u∂T∂s

"

#$

%

&'= −

pA∂∂s

Au( )+ 43 µ

∂u∂s

2

+1A∂∂s

Aκ ∂T∂s

)

*+,

-.− ne

2Λ(T )+ h

Integral  quanBBes  

Str  

S=L  

M = ρ(s, t)A(s)dsstr

L/2

∫ L/2  

S=0  

dMdt

= ρ(str )u(str )A(str )

Etot = 12 ρu

2 + 32 p+ ρΨ"# $%Ads

str

L/2

dEtot

dt≈ − ne

2Λ(T )Adsstr

L/2

∫ + 12 u

3Atr+ 52 puA tr

−κ∂T∂s

Atr

+ hAdsstr

L/2

∫enthalpy  flux  

radiaBve  loss   conducBve  flux  

flare  heat  

Their  evoluBon:  0d  models  

M = ρ(s, t)A(s)dsstr

L/2

∫ ≡ L2 Ampne

dnedt

= 2L ne,trutr

Etot = 12 ρu

2 + 32 p!" #$Ads ≡ 3L

4 A pstr

L/2

∫ enthalpy  flux  

radiaBve  loss   conducBve  flux  

Ffl  

ddt

32 p( ) ≈ − 2

L ne2Λ(T )ds

str

L/2

∫ + 5L ptr utr − 2

Lκ∂T∂s tr

+ 2L hdsstr

L/2

≈ −ne2Λ(T )

≈8κ07L2

T 7/2

ddt

32 p( ) ≈ −ne2 Λ(T )+ 5

L ptr utr −8κ07L2

T 7/2 + 2L Ffl

What  will  be  the  value  of  Ffl?  

vA  vA  

B  

Ffl = ςB2

8πvA =

ς2 ρ

B2

4π!

"#

$

%&

3/2

B  =  100  G  ρ  =  10-­‐15  g  cm-­‐3  

⇒ Ffl = ς 3×1011ergs−1 cm−2

Compare  to    upward  fluxes:  -­‐    Steady  AR:    

 F    ~  107  erg  cm-­‐2  s-­‐1  -­‐  Luminosity  (white  light)  

 L⊙/4πR⊙2  =  6  ×  1010  

τ rad ≡32 p

ne2Λ(T )

=3ne kbTne2Λ(T )

~ 3kb1.2×10−19

T 3/2

ne

ddt

32 p( ) ≈ −ne2 Λ(T )+ 5

L ptr utr −8κ07L2

T 7/2 + 2L Ffl

τ cond ≡32 p

8κ07L2T 7/2

=21kb8×10−6

neL2

T 5/2

1τ cool

=1τ rad

+1

τ cond

Cooling  rate:  

p = 2nekbT

Fully-­‐ionized  H  plasma  

τ rad ~3kb

1.2×10−19T 3/2

ne

τ cond =21kb8×10−6

neL2

T 5/2

ddt

32 p( ) ≈ −ne2 Λ(T )+ 5

L ptr utr −8κ07L2

T 7/2 + 2L Ffl

Tpk =7LFfl4κ0

!

"#

$

%&

2/7

Tpk=50  MK  

F fl  =  101

1  erg  cm

-­‐2  s-­‐

1  

heaB

ng  

EvaporaBon*:   dnedt

= 2L ne,trutr

ddt

32 p( ) ≈ −ne2 Λ(T )+ 5

L ptr utr −8κ07L2

T 7/2 + 2L Ffl

mass  flux  increases  ne  

enthalpy  flux  

cond

ucBve  flu

x  

E cor  =  (3

/2)  p

 L  

Etr  

•  Heat  flows  into  TR            –  conducBve  flux:    Fc  •  TR  expands  into              corona  –  enthalpy  flux:  Fe  •  No  change  in  Etr          &      no  losses  (i.e.  rad)   No  change  in  Ecor     p  ~    ne  ×  T  =  const.    

á  la  AnBochos  &  Sturrock  1978;  Cargill  et  al.  1995   Fe  

Fc  

Ecor  

*  Historical  term  based  on  analogy.  Not  genuine  evaporaBon    

ddt

32 p( ) ≈ −ne2 Λ(T )+ 5

L ptr utr −8κ07L2

T 7/2 + 2L Ffl

 ≃  0    p  ~  ne  ×  T  ≃  const.      

Tpk=50  MK  

F fl  =  101

1  erg  cm

-­‐2  s-­‐

1  

heaB

ng  

ddt

32 p( ) ≈ −ne2 Λ(T )+ 5

L ptr utr −8κ07L2

T 7/2 + 2L Ffl

draining    <  0    

Tpk=50  MK  

F fl  =  101

1  erg  cm

-­‐2  s-­‐

1  

heaB

ng  

EvaporaBon:   dnedt

= 2L utrne,tr ≈ 2

L utrne

ddt

32 p( ) ≈ −ne2 Λ(T )+ 5

L ptr utr −8κ07L2

T 7/2 + 2L Ffl

AnBochos  &  Sturrock  1978;  Cargill  et  al.  1995  

 ≃  0    p  ~  ne  ×  T  ≃  const.      

5L ptr utr = 5

L putr =8κ07L2

T 7/2 =32 pτ c,0

TT0

!

"#

$

%&

7/2

=32 pτ c,0

nene,0

!

"##

$

%&&

−7/2

2L utr = 3

51τ c,0

nene,0

!

"##

$

%&&

−7/2

ddt

nene,0

!

"##

$

%&&=

35

τ c,0

nene,0

!

"##

$

%&&

−5/2

ne(t) = ne,0 2110t − t0τ c,0

+1"

#$$

%

&''

2/7

T (t) = T0 2110t − t0τ c,0

+1"

#$$

%

&''

−2/7

 

 

 

RadiaBve  cooling  ddt

32 p( ) ≈ −ne2 Λ(T )+ 5

L ptr utr −8κ07L2

T 7/2 + 2L Ffl

Cargill  et  al.  1995  

ne(t) = ne,1 1− 23t − t1τ r,1

"

#$$

%

&''

1/2

 

   

T ∝ne2 p = 2ne kbT = p1

nene,1

!

"##

$

%&&

3

3 nene,1

!

"##

$

%&&

2ddt

nene,1

!

"##

$

%&&= −

1τ r,1

nene,1

!

"##

$

%&& T (t) = T1 1− 2

3t − t1τ r,1

"

#$$

%

&''

I.  draining    (empirical)  

heaB

ng  

radiaBve.  evap.  heaBng  

t0   t1  

t0  

t1  

τ rad = τ r,1nene,1

!

"##

$

%&&

−1TT1

!

"#

$

%&

3/2

= τ r,1nene,1

!

"##

$

%&&

2

RadiaBve  cooling  ddt

32 p( ) ≈ −ne2 Λ(T )+ 5

L ptr utr −8κ07L2

T 7/2 + 2L Ffl

ne(t) = ne,1 1+ 13t − t1τ r,1

"

#$$

%

&''

4

 

   

T ∝ne1/2 p = 2ne kbT = p1

TT1

!

"#

$

%&

3

3 TT!

"#

$

%&

2ddt

TT!

"#

$

%&= −

2τ r,1

TT!

"#

$

%&

7/2

T (t) = T1 1+ 13t − t1τ r,1

"

#$$

%

&''

−2

II.  mechanical  equilibrium  

heaB

ng  

radiaBve.  evap.  heaBng  

t0   t1  

t0  

t1  

τ rad = τ r,1nene,1

!

"##

$

%&&

−1TT1

!

"#

$

%&

3/2

= τ r,1TT1

!

"#

$

%&

−1/2

remain  equal  

EvaporaBon  again:  ddt

32 p( ) ≈ −ne2 Λ(T )+ 5

L ptr utr −8κ07L2

T 7/2 + 2L Ffl

enthalpy  flux  

cond

ucBve  flu

x  

Etr  

•  Heat  flows  into  TR            –  conducBve  flux:    Fc  •  TR  expands  into              corona  –  enthalpy  flux:  Fe  •  TR  radiates  Rtr  =  c1Rco  •  No  change  in  Etr  

       è      Fe  =  Fc  –  Rtr  =  Fc  –  c1Rco  

EBTEL  –  Klimchuk    et  al.  2008    

Fe  

Fc  

Rco  

ddt

32 p( ) ≈ −(1+ c1)ne2 Λ(T )+ 2

L Ffl

TR  ra

diaB

on  

2L utr =

25p

Fe =25p

8κ07L2

T 7/2 − c1ne2 Λ(T )

#

$%

&

'(

dnedt

= 2L utrne =

15kbT

8κ07L2

T 7/2 − c1ne2 Λ(T )

#

$%

&

'(

2  eqns.  for  unknowns      p(t)    &  ne(t)    —    T  =  p/(2kbne)  

EBTEL  

heaB

ng  

Cargill  et  al.  1995  

τ rad ~3kb

1.2×10−19T 3/2

ne

τ cond =21kb8×10−6

neL2

T 5/2

τcond  =  τrad  

τ radτ cond

=8×10−6

7×1.2×10−19T 2

ne L=3×106

(2kb )2p2

ne3L

= 4×1037 p2

ne3L

ne = 3×1012 p2/3

L1/3

ne,max = 2.6×1012 E 2/3

V 2/3L1/3

Warren  &  AnBochos  2004  

p = 2E3V

ne,max  

Tem,pk  All  flare  energy,  E,  kept  through  evap  phase    

Tem,pk = 930ELV

!

"#

$

%&1/3

Tpk =7LFfl4κ0

!

"#

$

%&

2/7

= 5×107K

L  =  5  ×  109  cm    =    50  Mm  Ffl  =  1011  erg/s/cm2  

EA= 2 Ffl dt∫ = 4×1011 ergcm-2

Tem,pk = 930EA!

"#

$

%&1/3

= 7×106K

ne,max = 2.6×1012 (E / A)2/3

L= 3×1010cm-3

ne,max = 2.6×1012 (E / A)2/3

L= 8×1010cm-3

Tpk =7LFfl4κ0

!

"#

$

%&

2/7

= 5×107K

Ffl  =  1011  erg/s/cm2  

EA= 2 Ffl dt∫ = 2×1012 ergcm-2

Tem,pk = 930EA!

"#

$

%&1/3

=1.2×107K

L  =  5  ×  109  cm    =    50  Mm  

ne,max = 2.6×1012 E 2/3

V 2/3L1/3

Warren  &  AnBochos  2004  

Tem,pk = 930ELV

!

"#

$

%&1/3

IF  flare  were  a  single  loop  

max(EM ) =V ne,max2 = 7×1024 E 4/3

V 1/3L2/3= 7×1049cm3 E30

4/3

V271/3L9

2/3

Tem,pk = 930ELV

!

"#

$

%&1/3

= 9×106K E30L9V27

!

"#

$

%&

1/3

F1−8 ≈10−63 Wm2 EM T 5/4 = 4×10−5 W

m2 ⋅E307/4

L91/4V27

3/4GOES  peak:  

E30  =  E/1030  ergs  

M4  flare  

~  E7/4  

BUT  a  real  flare  is  built  from  many  diff.  loops  –    each  evolving  independently  

1000  loops:  •  Ffl  =  1011  erg/s/cm2  

•  L  =  5  ×  109  cm    •  Ei  =  2  ×  1028  erg  

max(EM ) = 7×1049cm3 E304/3

V271/3L9

2/3 = 0.03×1049cm3

×6  

max(EM ) = 7×1049cm3 E304/3

V271/3L9

2/3 = 30×1049cm3

Each  loop:  

Flare  as  1  loop:  

Example  model:  

heated  in  groups  of  n  

n(t)  has  decaying  envelope  

n=26   Hori  et  al.  1997,  Warren  et  al.  2002,  Reeves  &  Warren  2002,  Warren  2006,  Qiu  et  al.  2012,  2013,  …  

E  =    2  ×  1031  erg  

GOES  

F1−8 ≈ 4×10−5 Wm2 ⋅

E307/4

L91/4V27

3/4 = 3×10−4 Wm2

Flare  as  1  loop:  

flare  as  1  loop  

1000  loop  composite  

T =1EM

EMii∑ Ti

T  derived  from  GOES  

flare  as  1  loop  

max(EM)  =  2  ×  1050  cm3    

Summary  •  EvoluBon  following  energy  release  –  governed  by  1d  gas  dynamics  

•  Single  loop  experiences  3  phases:  –  HeaBng            (  T  ↑  @  ~  const.  ne  )  –  EvaporaBon    (  T  ↓  ,  ne  ↑  ,    p  ~  const.  or  ↓  )  –  RadiaBve  cooling    (T  ↓  ,  ne  ↓  )  

•  Real  flare  may  be  composite  of  many  loops  

Next  *me:  

EvoluBon  in  one  dimension