[論文レビュー] Analysis of full disc Ca II K spectroheliograms III. Plage area composite series covering 1892-2019

Theodosios Chatzistergos, I. Ermolli+17 more|DIGITAL.CSIC (Spanish National Research Council (CSIC))|May 4, 2020

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 55被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、1892年から2019年までの期間にわたり、43のデータセットから得られた290,000枚以上のフルディスクCa II K スペクトロヘルログラムを統合し、太陽のプラージュ領域の最も包括的な合成時系列を提示する。一貫したフォトメトリックなキャリブレーション、縁減衰補正、およびアーティファクト低減（特に明るいアークなどの施設固有の問題）を実施することで、1892年以降88％、1907年以降98％の日次カバレッジを持つキャリブレート済みで相互検証された合成時系列を構築した。これにより、太陽のコロナ層磁気活動の長期的分析が可能となった。

ABSTRACT

We derive the plage area evolution over the last 12 solar cycles employing data from all Ca II K archives available publicly in digital form known to us, including several as yet unexplored Ca II K archives. We analyse more than 290,000 full-disc Ca II K observations from 43 datasets spanning the period 1892-2019. All images were consistently processed with an automatic procedure that performs the photometric calibration (if needed) and the limb-darkening compensation. The processing also accounts for artefacts plaguing many of the images, including some very specific artefacts such as bright arcs found in Kyoto and Yerkes data. We have produced a plage area time-series from each analysed dataset. We found that the differences between the plage areas derived from individual archives are mainly due to the differences in the central wavelength and the bandpass used to acquire the data at the various sites. We have empirically cross-calibrated and combined the results obtained from each dataset to produce a composite series of plage areas. "Backbone" series are used to bridge all the series together. We have also shown that the selection of the backbone series has little effect on the final plage area composite. We have quantified the uncertainty of determining the plage areas with our processing due to shifts in the central wavelength and found it to be less than 0.01 in fraction of the solar disc for the average conditions found on historical data. We also found the variable seeing conditions during the observations to slightly increase the plage areas during activity maxima. We provide the so far most complete time series of plage areas based on corrected and calibrated historical and modern Ca II K images. Consistent plage areas are now available on 88% of all days from 1892 onwards and on 98% from 1907 onwards.

研究の動機と目的

• 歴史的および現代的なフルディスクCa II K スペクトロヘルログラムを用いて、長期間にわたり一貫性のあるプラージュ領域の時系列を再構築すること。
• 観測所ごとの中心波長、バンドパス、機器アーティファクトの違いに起因するプラージュ領域測定値の不一致を是正すること。
• 12個の太陽黒点周期にわたる太陽コロナ層磁気活動の研究に適した、統合的でキャリブレーション済みの合成データセットを提供すること。
• 波長シフトおよび可変な観測視界（見通し）条件に起因するプラージュ領域測定の不確実性を定量化すること。
• 今後、新たにデジタル化された歴史的アーカイブを合成時系列に統合・更新できるようにすること。

提案手法

• 43のデータセットから得た29万枚以上のフルディスクCa II K 画像を、フォトメトリックキャリブレーションおよび縁減衰補正に一貫した自動パイプラインで処理する。
• 既知の機器特性に基づき、京都市およびイーラスのデータに見られる明るいアークなどの特定の問題に特化したアーティファクト補正技術を適用する。
• 異なる観測所からのデータを統合・補正するための「バックボーン」時系列を用い、合成全体に一貫性を確保する。
• 中心波長シフトに起因する不確実性を経験的に評価し、平均的な歴史的条件下で、相対的円盤面積に0.01未満であることを確認した。
• 可変な観測視界（見通し）条件の影響を考慮し、太陽活動極大期にはプラージュ領域がわずかに過大評価される傾向があることを特定した。
• データ系列の不連続性や施設固有の変動に対応するため、モジュラーな手法を採用し、独立してセグメント化・再キャリブレーションすることで対処した。

Figure 1: Examples of observations from the various archives analysed in this study, except from MM and Sc. With the exception of the images in the first and last column, the images within each column correspond to roughly the same day. Within a column the images are shown in alphabetical order acco

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散したCa II K スペクトロヘルログラムアーカイブを、一貫性のある方法で統合し、単一の整合的で合成されたプラージュ領域時系列に変換するにはどうすればよいか？
• RQ2 歴史的プラージュ領域測定において支配的な系統的誤差の原因は何であり、それらを定量化・最小限に抑えるにはどうすればよいか？
• RQ3 観測所ごとの中心波長およびバンドパスの違いが、導出されたプラージュ領域にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 観測中の可変な大気の視界（見通し）条件が、特に太陽活動極大期に測定されたプラージュ領域にどのような影響を及ぼすか？
• RQ5 125年以上にわたる期間をカバーする合成プラージュ領域時系列の実現可能な時間的カバレッジと信頼性はどの程度か？

主な発見

• 著者らは、1892年から88％、1907年以降は98％の日次カバレッジを持つ合成プラージュ領域時系列を構築した。これは、以前の試みに比べ顕著に向上した。
• 相互キャリブレーションに用いたバックボーン時系列の選定が、最終的な合成にほとんど影響しないことから、この手法の堅牢性が裏付けられた。
• 典型的な歴史的条件下では、中心波長シフトに起因するプラージュ領域決定の不確実性は、相対的円盤面積で0.01未満である。
• 観測中の可変な大気の視界（見通し）条件は、特に太陽活動極大期にプラージュ領域をわずかに過大評価する要因となる。
• 京都市およびイーラスのデータに見られる施設固有のアーティファクト（例：明るいアーク）を効果的に低減し、データの一貫性が向上した。
• 合成データセットは、今後のアップデートや新たにデジタル化されたアーカイブの統合を想定して設計されており、太陽変動研究における長期的有用性を確保している。

Figure 2: Annual coverage of the various Ca II K archives analysed in this study, except from those taken off-band (see Sect. 2 for details). Also shown is the annual coverage of all the archives combined, the one for the Chatzistergos et al. ( 2019b , paper 2) composite series, and the annual cover