[論文レビュー] Horizontal flow fields observed in Hinode G-band images IV. Statistical properties of the dynamical environment around pores

M. Verma, C. Denker|Max Planck Digital Library|Jan 20, 2014

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 42被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、高分解能の Hinode G-band 画像を用いた太陽黒spot の包括的な統計的分析を行い、その形態的・光度的・動的特性を明らかにした。研究では、黒spot 内部に流れ込む流れ、2 個の黒spot 半径より外側で流れ出す流れを特定し、サイズ、形状、強度の主要な周波数分布を確立した。これらは、黒spotの進化および sunspot 形成の磁気流体力学的シミュレーションに不可欠な制約条件を提供する。

ABSTRACT

The extensive database of high-resolution G-band images observed with the Hinode/SOT is a unique resource to derive statistical properties of pores using advanced digital image processing techniques. The study is based on two data sets: (1) Photometric and morphological properties inferred from single G-band images cover almost seven years from 2006 October 25 to 2013 August 31. (2) Horizontal flow fields have been derived from 356 one-hour sequences of G-band images using LCT for a shorter period of time from 2006 November 3 to 2008 January 6 comprising 13 active regions. A total of 7643/2863 (single/time-averaged) pores builds the foundation of the statistical analysis. Pores are preferentially observed at low latitudes in the southern hemisphere during the deep minimum of solar cycle No. 23. This imbalance reverses during the rise of cycle No. 24, when the pores migrate from high to low latitudes. Pores are rarely encountered in quiet-Sun G-band images, and only about 10% of pores exists in isolation. In general, pores do not exhibit a circular shape. Typical aspect ratios of the semi-major and -minor axes are 3:2 when ellipses are fitted to pores. Smaller pores (more than two-thirds are smaller than 5~Mm^2) tend to be more circular, and their boundaries are less corrugated. Both area and perimeter length of pores obey log-normal frequency distributions. The frequency distribution of the intensity can be reproduced by two Gaussians representing dark and bright components. Bright features resembling umbral dots and even light-bridges cover about 20% of the pore's area. Averaged radial profiles show a peak of the intensity at normalized radius R_N = r /R_pore = 2.1, followed by maxima of the divergence at R_N= 2.3 and the radial component of the horizontal velocity at R_N= 4.6. The divergence is negative within pores.

研究の動機と目的

• 高分解能の Hinode G-band 観測を用いて、太陽黒spot の統計的特性、特にサイズ、形状、光度的挙動を特徴づけること。
• 黒spot周囲の水平流れ場を調査し、その動的環境およびエネルギー輸送メカニズムを理解すること。
• 太陽活動周期の各段階、特に 24 番目の周期の最小期および上行期における黒spot の空間的分布と進化を特定すること。
• 黒spot形成および進化の磁気流体力学的（MHD）シミュレーションの観測的境界条件を提供すること。
• 数値モデルとの比較を目的として、面積、周囲長、強度、流れの発散といった主要パラメータの周波数分布を定量化すること。

提案手法

• 7 年間にわたる高分解能 G-band 画像データベース（Hinode 太陽望遠鏡（SOT））を用い、7643 個の個々の黒spot および 2863 個の時間平均化された黒spot を対象とした。
• 高度なデジタル画像処理技術、特に局所相関追跡（LCT）を用いて、356 個の 1 時間分の画像系列から水平流れ場を導出。
• 黒spotに楕円形をフィットさせ、縦横比や形態的特性を定量的に評価し、円形からのずれに注目した。
• 黒spot半径で正規化した半径方向の強度、発散、速度プロファイルを分析し、特徴的な空間的パターンと遷移を特定した。
• 面積、周囲長、強度、流れパラメータの周波数分布をモデル化するために、対数正規分布およびガウス分布を用いた。
• 光度的半径（黒spot強度が静穏太陽レベルと一致する位置）を定義し、流れの発散および速度プロファイルと相関させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サイズ、形状、強度の統計的分布は何か？ また、それらは黒spotの年齢や太陽活動周期の段階によってどのように変化するか？
• RQ2 流入と流出は黒spot中心からどの位置に発生するか？ それらは発散および速度プロファイルとどのように相関するか？
• RQ3 黒spotの形態的・光度的特性は、sunspot や孤立した磁気特徴と比べてどのように異なるか？
• RQ4 強度が静穏太陽レベルと一致する光度的半径（ここで、強度が静穏太陽レベルと一致する位置）と、周囲の流れ場における流入から流出への遷移の関係は何か？
• RQ5 観測された黒spotパラメータの周波数分布は、今後の磁気フラックス集中および黒spot進化の MHD シミュレーションをどのように制約するか？

主な発見

• 太陽活動周期 23 の深刻な最小期には、南半球の低緯度帯に黒spotが主に観測されたが、周期 24 の上行期にかけて分布が逆転した。
• 約 70% の黒spot は 5 Mm² 未満であり、小さな黒spotはより円形に近く、楕円フィット時の典型的な縦横比は 3:2 であった。
• 面積および周囲長の両方が、中程度の値にピークを持つ広範なサイズ範囲を示す対数正規分布に従うことが判明した。
• 強度分布は、2 つのガウス分布の重ね合わせによって最もよく再現され、これは黒spot内部の暗黒部と、約 20% の黒spot面積を占めるうすいうすいのウムブラ・ドットやライト・ブリッジのような明るい特徴を表している。
• 半径方向の強度ピークは $ R_{\mathrm{N}} = 2.1 $、発散最大値は $ R_{\mathrm{N}} = 2.3 $、径方向速度最大値は $ R_{\mathrm{N}} = 4.6 $ に位置し、複雑な流れ構造が示唆された。
• 光度的半径（強度が静穏太陽レベルと一致する位置）は $ R_{\mathrm{N}} = 1.4 $ にあり、ここでは発散がゼロ（$ R_{\mathrm{N}} = 1.6 $）に近く、最も強い流出が観測された。これは、流入から流出への遷移を示す重要な境界である。