Published April 1, 2023 | Version v1
Publication Open

Distorted-toroidal Flux Rope Model

Creators

  • 1. Universidad de Alcalá
  • 2. University of Mendoza
  • 3. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas

Description

Abstract The 3D characterization of magnetic flux ropes observed in the heliosphere has been a challenging task for decades. This is mainly due to the limitations on inferring the 3D global topology and physical properties from the 1D time series from any spacecraft. To advance our understanding of magnetic flux ropes whose configuration departs from the typical stiff geometries, here we present an analytical solution for a 3D flux rope model with an arbitrary cross section and a toroidal global shape. This constitutes the next level of complexity following the elliptic-cylindrical (EC) geometry. The mathematical framework was established by Nieves-Chinchilla et al. with the EC flux rope model, which describes a magnetic topology with an elliptical cross section as a first approach to changes in the cross section. In the distorted-toroidal flux rope model, the cross section is described by a general function. The model is completely described by a nonorthogonal geometry and the Maxwell equations can be consistently solved to obtain the magnetic field and relevant physical quantities. As a proof of concept, this model is generalized in terms of the radial dependence of current density components. The last part of this paper is dedicated to a specific function, F ( φ ) = δ ( 1 − λ cos φ ) , to illustrate possibilities of the model. This model paves the way toward the investigation of complex distortions of magnetic structures in the solar wind. Future investigations will explore these distortions in depth by analyzing specific events; studying implications for physical quantities, such as magnetic fluxes, helicity, or energy; and evaluating the force balance with the ambient solar wind that allows such distortions.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

كان التوصيف ثلاثي الأبعاد لحبال التدفق المغناطيسي المرصودة في الغلاف الشمسي مهمة صعبة لعقود. ويرجع ذلك أساسًا إلى القيود المفروضة على استنتاج الطوبولوجيا العالمية ثلاثية الأبعاد والخصائص الفيزيائية من السلسلة الزمنية أحادية الأبعاد من أي مركبة فضائية. لتعزيز فهمنا لحبال التدفق المغناطيسي التي يختلف تكوينها عن الأشكال الهندسية القاسية النموذجية، نقدم هنا حلاً تحليليًا لنموذج حبل التدفق ثلاثي الأبعاد مع مقطع عرضي عشوائي وشكل عالمي حلقي. يشكل هذا المستوى التالي من التعقيد بعد الهندسة الإهليلجية الأسطوانية (EC). تم إنشاء الإطار الرياضي من قبل Nieves - Chinchilla et al. باستخدام نموذج حبل التدفق EC، والذي يصف طوبولوجيا مغناطيسية ذات مقطع عرضي بيضاوي الشكل كنهج أول للتغييرات في المقطع العرضي. في نموذج حبل التدفق الحلقي المشوه، يتم وصف المقطع العرضي بوظيفة عامة. يتم وصف النموذج بالكامل بواسطة هندسة غير متعامدة ويمكن حل معادلات ماكسويل باستمرار للحصول على المجال المغناطيسي والكميات الفيزيائية ذات الصلة. كدليل على المفهوم، يتم تعميم هذا النموذج من حيث الاعتماد الشعاعي لمكونات كثافة التيار. الجزء الأخير من هذه الورقة مخصص لوظيفة محددة، F ( φ ) = δ ( 1 λ cos φ ) ، لتوضيح إمكانيات النموذج. يمهد هذا النموذج الطريق نحو التحقيق في التشوهات المعقدة للهياكل المغناطيسية في الرياح الشمسية. ستستكشف التحقيقات المستقبلية هذه التشوهات بعمق من خلال تحليل أحداث محددة ؛ ودراسة الآثار المترتبة على الكميات الفيزيائية، مثل التدفقات المغناطيسية أو الحلزونية أو الطاقة ؛ وتقييم توازن القوة مع الرياح الشمسية المحيطة التي تسمح بمثل هذه التشوهات.

Translated Description (French)

Résumé La caractérisation 3D des cordes de flux magnétique observées dans l'héliosphère est une tâche difficile depuis des décennies. Cela est principalement dû aux limites de la déduction de la topologie globale 3D et des propriétés physiques de la série temporelle 1D de tout vaisseau spatial. Pour faire progresser notre compréhension des câbles à flux magnétique dont la configuration s'écarte des géométries rigides typiques, nous présentons ici une solution analytique pour un modèle de câble à flux 3D avec une section transversale arbitraire et une forme globale toroïdale. Cela constitue le prochain niveau de complexité après la géométrie elliptique-cylindrique (EC). Le cadre mathématique a été établi par Nieves-Chinchilla et al. avec le modèle de corde de flux EC, qui décrit une topologie magnétique avec une section transversale elliptique comme première approche des changements dans la section transversale. Dans le modèle de corde à flux toroïdal déformé, la section transversale est décrite par une fonction générale. Le modèle est complètement décrit par une géométrie non orthogonale et les équations de Maxwell peuvent être résolues de manière cohérente pour obtenir le champ magnétique et les quantités physiques pertinentes. Comme preuve de concept, ce modèle est généralisé en termes de dépendance radiale des composantes de densité de courant. La dernière partie de cet article est consacrée à une fonction spécifique, F ( φ ) = δ ( 1 − λ cos φ ) , pour illustrer les possibilités du modèle. Ce modèle ouvre la voie à l'étude des distorsions complexes des structures magnétiques dans le vent solaire. Les recherches futures exploreront ces distorsions en profondeur en analysant des événements spécifiques ; en étudiant les implications pour les quantités physiques, telles que les flux magnétiques, l'hélicité ou l'énergie ; et en évaluant l'équilibre des forces avec le vent solaire ambiant qui permet de telles distorsions.

Translated Description (Spanish)

Resumen La caracterización 3D de las cuerdas de flujo magnético observadas en la heliosfera ha sido una tarea difícil durante décadas. Esto se debe principalmente a las limitaciones para inferir la topología global 3D y las propiedades físicas de la serie temporal 1D de cualquier nave espacial. Para avanzar en nuestra comprensión de las cuerdas de flujo magnético cuya configuración se aparta de las geometrías rígidas típicas, aquí presentamos una solución analítica para un modelo de cuerda de flujo 3D con una sección transversal arbitraria y una forma global toroidal. Esto constituye el siguiente nivel de complejidad siguiendo la geometría elíptico-cilíndrica (EC). El marco matemático fue establecido por Nieves-Chinchilla et al. con el modelo de cuerda de flujo EC, que describe una topología magnética con una sección transversal elíptica como primer acercamiento a los cambios en la sección transversal. En el modelo de cuerda de flujo toroidal distorsionado, la sección transversal se describe mediante una función general. El modelo está completamente descrito por una geometría no ortogonal y las ecuaciones de Maxwell se pueden resolver de manera consistente para obtener el campo magnético y las cantidades físicas relevantes. Como prueba de concepto, este modelo se generaliza en términos de la dependencia radial de los componentes de densidad de corriente. La última parte de este artículo está dedicada a una función específica, F ( φ ) = δ ( 1 − λ cos φ ) , para ilustrar las posibilidades del modelo. Este modelo allana el camino hacia la investigación de distorsiones complejas de estructuras magnéticas en el viento solar. Las investigaciones futuras explorarán estas distorsiones en profundidad mediante el análisis de eventos específicos; el estudio de las implicaciones para las cantidades físicas, como los flujos magnéticos, la helicidad o la energía; y la evaluación del equilibrio de fuerzas con el viento solar ambiental que permite tales distorsiones.

Files

pdf.pdf

Files (11.9 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:a9ac013829168200636f64213c7856ac
11.9 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
نموذج حبل التدفق الحلقي المشوه
Translated title (French)
Modèle de corde à flux toroïdal déformé
Translated title (Spanish)
Modelo de cuerda de flujo toroidal distorsionado

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4366993758
DOI
10.3847/1538-4357/acb3c1

Is supplement to
https://openalex.org/W581740023 (Other)
https://openalex.org/W4297834158 (Other)
https://openalex.org/W3197339148 (Other)
https://openalex.org/W2296004672 (Other)
https://openalex.org/W2148843381 (Other)
https://openalex.org/W2081515777 (Other)
https://openalex.org/W2075131033 (Other)
https://openalex.org/W2072046776 (Other)
https://openalex.org/W2038778019 (Other)
https://openalex.org/W2023480057 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Argentina

References

  • https://openalex.org/W1518703420
  • https://openalex.org/W1978637359
  • https://openalex.org/W1990684442
  • https://openalex.org/W1992090845
  • https://openalex.org/W2002732682
  • https://openalex.org/W2012940043
  • https://openalex.org/W2014323205
  • https://openalex.org/W2014920520
  • https://openalex.org/W2034039186
  • https://openalex.org/W2069537381
  • https://openalex.org/W2073466512
  • https://openalex.org/W2074447679
  • https://openalex.org/W2081907750
  • https://openalex.org/W2086849825
  • https://openalex.org/W2091452401
  • https://openalex.org/W2094483427
  • https://openalex.org/W2094927162
  • https://openalex.org/W2100723408
  • https://openalex.org/W2137818828
  • https://openalex.org/W2402061073
  • https://openalex.org/W2736375307
  • https://openalex.org/W2770563800
  • https://openalex.org/W2788608356
  • https://openalex.org/W2884901422
  • https://openalex.org/W2962366339
  • https://openalex.org/W3015758940
  • https://openalex.org/W3101356195
  • https://openalex.org/W3101711787
  • https://openalex.org/W3104157849
  • https://openalex.org/W3122434047
  • https://openalex.org/W3152885347
  • https://openalex.org/W4220685251
  • https://openalex.org/W4238927392
  • https://openalex.org/W4245192593
  • https://openalex.org/W4288079687