[論文レビュー] A distinct magnetic property of the inner penumbral boundary. II. Formation of a penumbra at the expense of a pore

J. Jurčák, N. Bello González+2 more|ASEP|Dec 6, 2016

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 24被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、孔の垂直磁場（≤1.4 kG）が1.8 kGの標準的安定ウムブラ-ペンデューラ境界値未満である限り、孔の磁束がペンデューラに移転することでペンデューラが形成されることを示している。ペンデューラの明るいグレインが孔に侵入するにつれ、磁束は垂直から水平へ再配置され、孔が完全に消失し、オーファンペンデューラが形成される。

ABSTRACT

We recently presented evidence that stable umbra-penumbra boundaries are characterised by a distinct canonical value of the vertical component of the magnetic field, $B^{ m stable}_{ m ver}$. In order to trigger the formation of a penumbra, large inclinations in the magnetic field are necessary. In sunspots, the penumbra develops and establishes by colonising both umbral areas and granulation, that is, penumbral magneto-convection takes over in umbral regions with $B_{ m ver} < B^{ m stable}_{ m ver}$, as well as in granular convective areas. Eventually, a stable umbra-penumbra boundary settles at $B^{ m stable}_{ m ver}$. Here, we aim to study the development of a penumbra initiated at the boundary of a pore, where the penumbra colonises the entire pore ultimately. We have used Hinode/SOT G-band images to study the evolution of the penumbra. Hinode/SOT spectropolarimetric data were used to infer the magnetic field properties in the studied region. The penumbra forms at the boundary of a pore located close to the polarity inversion line of NOAA\,10960. As the penumbral bright grains protrude into the pore, the magnetic flux in the forming penumbra increases at the expense of the pore magnetic flux. Consequently, the pore disappears completely giving rise to an orphan penumbra. At all times, the vertical component of the magnetic field in the pore is smaller than $B^{ m stable}_{ m ver} \approx 1.8$~kG. Our findings are in an agreement with the need of $B^{ m stable}_{ m ver}$ for establishing a stable umbra-penumbra boundary: while $B_{ m ver}$ in the pore is smaller than $B^{ m stable}_{ m ver}$, the protrusion of penumbral grains into the pore area is not blocked, a stable pore-penumbra boundary does not establish, and the pore is fully overtaken by the penumbral magneto-convective mode. This scenario could also be one of the mechanisms giving rise to orphan penumbrae.

研究の動機と目的

• 孔の境界におけるペンデューラ形成を調査し、特に磁束が孔からペンデューラへどのように移転するかを明らかにすること。
• 標準的垂直磁場値1.8 kG（B_ver^stable）が、ペンデューラ-孔境界の安定化に閾値として機能するかどうかを特定すること。
• 孔がペンデューラの磁気対流に完全に占領され、オーファンペンデューラが形成されるメカニズムを探索すること。
• 低磁束環境におけるペンデューラ発展の引き金と持続要因としての磁場の傾きと磁束変化の役割を分析すること。

提案手法

• 太陽観測望遠鏡Hinode/SOTのGバンド画像（空間分解能0.11″）を用いて、活動群NOAA 10960における孔およびペンデューラ構造の時間的変化を追跡した。
• Fe I線（630.15および630.25 nm）におけるHinode/SOT分光偏光データを用い、垂直成分（B_ver）、傾き、磁束分布を含む磁場ベクトルを推定した。
• SIR逆問題コードを用いてストークスプロファイルから物理的パラメータを復元し、孔およびペンデューラ領域における磁場特性の正確なマッピングを可能にした。
• 時間経過に伴う孔およびペンデューラにおける磁束の変化を追跡し、ペンデューラグレインの侵入に伴い磁束が孔からペンデューラへ移転する様子を観察した。
• 孔における垂直磁場強度（最大1.4 kG）を標準的B_ver^stable値1.8 kGと比較し、境界の安定性を評価した。
• 傾きマップを用いて磁場線の接続性を分析し、ペンデューラが逆極性の孔から分離しているかどうかを確認した。

Figure 1: G-band images showing selected stages of pore and penumbra evolution in AR 10960. The orange contours indicate pore areas with $I_{\mathrm{c}}<0.5\times I^{\mathrm{QS}}_{\mathrm{c}}$ . The arrows point towards the disc centre (north is up and west is right as marked in f). A video showing

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的垂直磁場値1.8 kG（B_ver^stable）は、ペンデューラ-孔境界の安定化に閾値として機能するか？
• RQ2 ペンデューラ侵入中、垂直磁場がB_ver^stable未満のまま維持される孔では、どのようなことが起こるか？
• RQ3 磁束の移転によってペンデューラが形成され、孔を完全に占領することでオーファンペンデューラが生じる可能性はあるか？
• RQ4 磁束の再配置を伴う、孔からペンデューラへの変化過程における磁場配置の進化、特に磁場の傾きと磁束再分配の観点から、どのように変化するか？

主な発見

• 孔の最大垂直磁場強度は1.4 kGにとどまり、標準的B_ver^stable値1.8 kG未満であったため、安定した孔-ペンデューラ境界が形成されなかった。
• ペンデューラの明るいグレインが連続的に孔へ侵入し、孔の磁束がペンデューラ磁束へと変換された。ペンデューラの磁束は、孔のピーク磁束の84％に達した。
• 孔はペンデューラに完全に取り込まれ、主に水平磁場を有するオーファンペンデューラが形成された。
• ペンデューラ内の磁場線は逆極性の孔とは接続されておらず、ペンデューラの分離および自己持続的性質が確認された。
• 磁束キャンセレーションや新規磁束の出現の兆しなしに孔の消失が観察されたことから、磁気対流による磁束移転が主なメカニズムであると示された。
• 観察された変化は、B_ver^stable閾値がペンデューラ境界の安定性を制御するという仮説を支持しており、その欠如が低B_ver領域におけるペンデューラ対流による完全な占領を許容することを示している。

Figure 2: Evolution of the pore area with $I_{\mathrm{c}}<0.5\times I^{\mathrm{QS}}_{\mathrm{c}}$ (black $+$ symbols). Blue $\triangle$ symbols connected by the dashed line show the total positive magnetic flux ( $\Phi$ ) in the pore. Red $\Box$ symbols connected by the dash-doted line show $\Phi$ i