[論文レビュー] Analysis and modeling of solar irradiance variations

K. L. Yeo|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2014

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 201被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、KPVT、SoHO/MDI、SDO/HMIの磁気マップを用い、SATIRE-Sモデルと組み合わせることで、1974年から2013年までの全波長およびスペクトル太陽放射（TSIおよびSSI）の高精度な再構築を提示する。磁気特徴の放射輝度への寄与を補正し、不要光などの機器効果を補正することで、複数の人工衛星観測と整合性を持つモデルが得られ、太陽活動周期中の絶対放射計測およびスペクトル依存性に関する長年の矛盾が解消された。

ABSTRACT

A prominent manifestation of the solar dynamo is the 11-year activity cycle, evident in indicators of solar activity, including solar irradiance. Although a relationship between solar activity and the brightness of the Sun had long been suspected, it was only directly observed after regular satellite measurements became available with the launch of Nimbus-7 in 1978. The measurement of solar irradiance from space is accompanied by the development of models aimed at describing the apparent variability by the intensity excess/deficit effected by magnetic structures in the photosphere. The more sophisticated models, termed semi-empirical, rely on the intensity spectra of photospheric magnetic structures generated with radiative transfer codes from semi-empirical model atmospheres. An established example of such models is SATIRE-S (Spectral And Total Irradiance REconstruction for the Satellite era). One key limitation of current semi-empirical models is the fact that the radiant properties of network and faculae are not adequately represented due to the use of plane-parallel model atmospheres (as opposed to three-dimensional model atmospheres). This thesis is the compilation of four publications, detailing the results of investigations aimed at setting the groundwork necessary for the eventual introduction of three-dimensional atmospheres into SATIRE-S and a review of the current state of the measurement and modelling of solar irradiance. Also presented is an update of the SATIRE-S model. We generated a daily reconstruction of total and spectral solar irradiance, covering 1974 to the present, that is more reliable and, in most cases, extended than similar reconstructions from contemporary models.

研究の動機と目的

• 衛星時代（1974–2013年）における全波長およびスペクトル太陽放射（TSIおよびSSI）を、高時間分解能および高スペクトル分解能で再構築すること。
• 絶対放射計測、長期的変化、および太陽活動周期のスペクトル依存性において、衛星測定値とモデルとの間で繰り返し生じる矛盾を解消すること。
• 補正済み磁気マップを組み込み、不要光や点拡散関数（PSF）歪みなどの機器効果を考慮することで、太陽放射再構築の精度を向上させること。
• SORCE、TIM、ISSの測定結果など、複数の独立した観測結果と比較してモデルを検証し、異なるプラットフォーム間での整合性を確保すること。
• 気候モデルや太陽・地球間物理研究に使用可能な、信頼性が高く公開可能なTSIおよびSSI時系列データを提供すること。

提案手法

• 全画面磁気マップから得られる光球磁場分布に基づいて太陽放射をシミュレートするSATIRE-Sモデルを用いる。
• KPVT、SoHO/MDI、SDO/HMIの磁気マップを統合するためのマルチ機器ハーモナイゼーション手法を適用し、複数ミッション間での入力データの一貫性を確保する。
• 月食観測および縁縁観測を用いて、SDO/HMIデータにおける点拡散関数（PSF）および不要光の補正を実施し、画像の忠実度を向上させる。
• 観測されたTSIおよびSSIとの一致を最適化するために、SATIRE-Sモデルに自由パラメータを導入し、衛星測定値に基づいて補正する。
• データギャップや機器の時間的ずれなどの要因を考慮した不確実性の評価を実施し、再構築されたTSIおよびSSIの不確実性を定量化する。
• 特に2012年の太陽活動最小期に観測されたSORCE、TIM、およびISS搭載機器からの独立した観測結果と比較して、モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数の太陽活動周期にわたって、光球磁気マップから全波長およびスペクトル太陽放射をどれほど正確に再構築できるか。
• RQ2 PSFや不要光などの機器効果が、太陽表面特徴の外見的性質をどれほど歪め、放射輝度モデルに影響を与えるか。
• RQ3 11年周期の太陽活動周期において、フレアと sunspots が全太陽放射変動に果たす相対的寄与はどの程度か。
• RQ4 衛星測定値とモデルとの間で生じる絶対放射計測およびスペクトル依存性の矛盾は、どのようにして生じるのか。それらは解消可能か。
• RQ5 異なる機器（KPVT、MDI、HMI）から得られる磁気マップに基づく統一モデルが、40年間にわたって一貫性があり信頼性の高いTSIおよびSSI時系列を生成できるか。

主な発見

• SATIRE-Sモデルは、SORCEおよびTIMを含む複数の衛星観測と高い整合性を示し、1974年から2013年までのTSIおよびSSIを成功裏に再構築した。
• モデルは、フレアがTSIに正の寄与を示すのに対し、sunspotsは負の寄与を示すことを示し、その合成効果として11年周期で0.1%の変動が生じることを明らかにした。
• SDO/HMIデータにおける不要光補正は、粒状構造および磁気特徴のコントラスト測定の正確性を顕著に向上させ、系統的バイアスを低減した。
• 再構築されたSSIは、特に紫外および可視光帯域において、ISSその他の機器の観測結果と良好に一致した。
• 特に2008年から2010年の太陽活動最小期において、長期的変化およびスペクトル依存性の矛盾が解消され、従来のモデルが放射輝度レベルを低く見積もっていたことが明らかになった。
• 最終的なTSIおよびSSI時系列データは、www.mps.mpg.de/projects/sun-climate/data.html で公開されており、気候モデルおよび宇宙天気モデルの研究に利用可能である。