A necessary condition for the formation of a filament is magnetic helicity. In the present paper we seek the origin of magnetic helicity of intermediate filaments. We observed the formation of a sinistral filament at the boundary of a decaying active region using full-disk $H_{\alpha}$ images obtained from Bi Bear Solar Observatory. We have measured the rate of helicity injection during the formation of the filament using full-disk 96 minute-cadence magnetograms taken by SOHO MDI. As a result we found that 1) no significant helicity was injected around the region (polarity inversion line; PIL) of filament formation and 2) negative helicity was injected in the decaying active region. The negative sign of the injected helicity was opposite to that of the filament helicity. On the other hand, at earlier times when the associated active region emerged and grew, positive helicity was intensively injected. Our results suggest that the magnetic helicity of the intermediate filament may have originated from the helicity accumulated during the period of the growth of its associated active region.
Park, Sung-Hong;Cho, Kyung-Suk;Bong, Su-Chan;Park, Young-Deuk
The Bulletin of The Korean Astronomical Society
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v.36
no.2
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pp.84.1-84.1
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2011
In this study, we intend to inquire of how the temporal variation and spatial distribution of magnetic helicity injection in a CME-producing solar active region are related to the CME occurrence. We therefore investigate long-term (a few days) variation of magnetic helicity injection in the active region NOAA 9236 which produced multiple CME events. As a result, it is found that a noticeable increase in helicity of negative sign was first made for the first ~1.5 days and then 6 CMEs occurred while the relatively more injection of oppositely signed (positive) helicity was taking place for the next ~2 days. Afterwards, 2 CMEs in the region occurred while a more negative helicity is being injected again compared to a positive helicity. In addition, from helicity flux density maps, we found that the CMEs originated from this active region seem to be involved with the interaction of two magnetic field systems characterized by opposite signs of helicity.
If all Coronal mass ejections (CMEs) have flux ropes, then the CMEs should keep their helicity signs from the Sun to the Earth according to the helicity conservation principle. We select 34 CME-ICME pairs whose source active regions (ARs) have continuous SOHO/MDI magnetogram data covering more than 24 hr without data gap during the passage of the ARs near the solar disk centre. The helicity signs in the ARs are determined by estimation of accumulating amounts of helicity injections through the photospheric surfaces in the entire source ARs. The helicity signs in the ICMEs are estimated by applying the cylinder model developed by Marubashi (2000) to 16 second resolution magnetic field data from the MAG instrument onboard the ACE spacecraft. It is found that 30 out of 34 events (88%) are helicity sign-consistent events, while 4 events (12%) are sign-inconsistent. Through a detailed investigation of the AR solar origins of the 4 exceptional events, we find that those exceptional events can be explained by the local AR helicity sign opposite to that of the entire AR helicity (2000 July 28 ICME), incorrectly reported solar source in CDAW (2005 May 20 ICME), or the helicity sign of the pre-existing coronal magnetic field (2000 October 13 and 2003 November 20 ICMEs). We conclude that the helicity signs of the ICMEs are quite consistent with those of the injected helicities in the AR regions where CMEs were erupted.
Yang, Dan;Jiang, Yunchun;Yang, Jiayan;Bi, Yi;Yang, Bo
Journal of The Korean Astronomical Society
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v.47
no.3
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pp.105-113
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2014
We apply differential affine velocity estimator (DAVE) to the Solar Dynamics Observatory (SDO)/Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) 12-min line-of-sight magnetograms, and separately calculate the injected magnetic helicity for the leading and the following polarities of nine emerging bipolar active regions (ARs). Comparing magnetic helicity flux of the leading polarity with the following polarity, we find that six ARs studied in this paper have the following polarity that injected more magnetic helicity flux than that of the leading polarity. We also measure the mean area of each polarity in all the nine ARs, and find that the compact polarity tend to possess more magnetic helicity flux than the fragmented one. Our results confirm the previous studies on asymmetry of magnetic helicity that emerging bipolar ARs have a polarity preference in injecting magnetic helicity. Based on the changes of unsigned magnetic flux, we divide the emergence process into two evolutionary stages: (1) an increasing stage before the peak flux and (2) a constant or decreasing stage after the peak flux. Obvious changes on magnetic helicity flux can be seen during transition from one stage to another. Seven ARs have one or both polarity that changed the sign of magnetic helicity flux. Additionally, the prevailing polarity of the two ARs, which injects more magnetic helicity, changes form the following polarity to the leading one.
Magnetic helicity injection in 28 solar active regions producing 46 CMEs was investigated to find its relationship with the occurrence and speed of CMEs. The helicity injection in the active regions under investigation was calculated using full-disk 96 minute MDI magnetograms. The major findings of this study are as follows. First, the 46 CMEs are categorized into two different groups by two characteristic evolution patterns of helicity injection in their active regions: (1) a monotonically increasing of helicity accumulation (Group A; 30 CMEs in 23 active regions) and (2) significant helicity injection followed by its sign reversal (Group B; 16 CMEs in 5 active regions). Second, a fairly good correlation between the helicity injection rate and the CME speed is found for the 30 CME events in Group A. Further statistical studies, however, are needed to check whether the two characteristic helicity patterns are shown in other CME-productive active regions.
It is generally believed that eruptive phenomena in the solar atmosphere such as solar flares and coronal mass ejections (CMEs) occur in the solar active regions with complex magnetic structures. Magnetic helicity has been recognized as a useful parameter to measure the complexity such as twists, kinks, and inter-linkages of magnetic field lines. The objective of this study is to understand a long-term (a few days) variation of magnetic helicity in active regions and its relationship with the energy buildup and instability leading to flares and CMEs. Statistical studies of flare productivity and magnetic helicity injection in about 400 active regions were carried out. The temporal variation of magnetic helicity injected through the photosphere of active regions was also examined related to 46 CMEs. The main findings in this study are as follows: (1) the study of magnetic helicity for active regions producing major flares and CMEs indicates that there is always a significant helicity injection through the active-region photosphere over a long period of 0.5 - a few days before the flares and CMEs; (2) for the 30 CMEs under investigation, it is found that there is a fairly good correlation (linear correlation coefficient of 0.71) between the average helicity injection in the CME-productive active regions and the CME speed. Beside the scientific contribution, a major impact of this study is the observational discovery of a characteristic variation pattern of magnetic helicity injection in flare/CME-productive active regions which can be used for the improvement of solar eruption forecasting.
Helicity in isotropic turbulence was well known to have intermittent fashion in their statistics. But its exact explanation about the onset of intermittency of helicity in turbulence did not give clearly yet. Most probable causes comes from the vortical motion of the fluids. Distribution of the angle between fluid velocity and vorticity have alignment tendency. This may be a clue to investigate intermittency of helicity. In this study, we aim to review and establish approaches to reveal the mechanism and the origin of intermittency of helicity in the isotropic turbulence. To do those work, we look for some quantities like helicity, enstrophy, acceleration and its flatness. And also correlations among them are sought.
Electron magnetohydrodynamic (EMHD) turbulence provides a fluid-like description of small-scale magnetized plasmas. Most EMHD turbulence studies consider "balanced" EMHD turbulence. However, imbalanced EMHD turbulence has never been studied. In this study, we numerically study "imbalanced" EMHD turbulence. Imbalanced turbulence means that wave packets moving in one direction have high amplitudes or strong perturbations than the others. In driven imbalanced EMHD turbulence, non-zero magnetic helicity is injected. When magnetic helicity is injected at a scale, we expect to have inverse cascade of magnetic helicity, as well as magnetic energy, in three-dimensional (3D) EMHD turbulence. For no helicity injection, we do not observe inverse energy cascade. However, when magnetic helicity is injected, inverse cascade of magnetic helicity is clearly observed. Magnetic energy also shows inverse cascade. In EMHD turbulence, it is well known that magnetic energy on scales smaller than the energy injection scale is forward-cascading quantity and the magnetic energy spectrum follows a k^{-7/3} one. On the other hand, the inverse-cascading entity on scales larger than the energy injection scale is uncertain. If the magnetic helicity is inverse-cascading quantity, we will obtain a k^{-5/3} magnetic energy spectrum. In our simulations, we do observe energy spectrum consistant with k^{-5/3} on large scales. Therefore, we confirm that magnetic helicity indeed is the inverse-cascading entity in 3D EMHD turbulence.
We examined the relations between CME speed and properties of magnetic helicity in the source region such as helicity injection rate and total unsigned magnetic flux, which reflect the magnetic energy in the active region. For this, we selected 22 CMEs occurred during the increasing phase of solar cycle 24, which shows extremely low activities and classified them into two groups according to evolution pattern of helicity injection rate. We then compared the relations with those from previous study based on the events in solar cycle 23. As the results, we found several properties as follows: (1) Both of CME speed and helicity parameters have very small values since we only considered increasing phase; (2) among 22 CMEs, only 6 events (27%) are classified as group B, which show sign reversal of helicity injection and they follow behind of appearance of group A events. This fact is well coincide with the trend of solar cycle 23 that only group A events was observed in the first 3 years of the period; (3) as the solar activity is increasing, the CME speed and helicity parameters are also increasing. Based on the observations of solar cycle 23, the helicity parameters was still increasing in spite of decreasing solar activity after maximum period.
Theoretically, the magnetic helicity transport flux through the solar surface into the upper atmosphere can be estimated indefinitely precisely by magnetic field footpoint tracking if the observational resolution is infinitely fine, even with magnetic flux emergence or submergence. In reality, the temporal and spatial resolutions of observations are limited. When magnetic flux emerging or submerging, the footpoint velocity goes to infinity and the normal magnetic field vanishes at the polarity inversion line. A finite observational resolution thus generates a blackout area in helicity flux estimation near the polarity inversion line. It is questioned how much magnetic helicity is underestimated with a footpoint tracking method due to the absence of information in the blackout area. We adopt the analytical models of Gold-Hoyle and Lundquist force-free flux ropes and let them emerging from below the solar surface. The observation and the helicity integration can start at different emerging stages of the flux rope, i.e., the photospheric plane initially cuts the flux rope at different levels. We calculate the magnetic helicity of the flux rope below the photospheric level, which is eventually to emerge, except the helicity hidden in the region to be swept by the blackout area with different widths. Our calculation suggests that the error in the integrated helicity flux estimate is about half of the real value or even larger when small scale magnetic structures emerge into the solar atmosphere.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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