[論文レビュー] Magnetic properties of a long-lived sunspot - Vertical magnetic field at the umbral boundary

Markus Schmassmann, R. Schlichenmaier+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2018

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 20被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、SDO/HMIデータを用いて、長寿命 sunspot (NOAA AR 11591) の umbra 境界に沿った垂直磁場 ($B_{\text{ver}}$) の時間的安定性を調査する。$I_c = 0.5I_{\text{qs}}$ の等高線に沿った $B_{\text{ver}}$ の平均値が10日間にわたりほぼ一定の1693 Gを示し、Jurčák 基準が、連続スペクトル強度または垂直磁場強度のいずれによっても umbra 境界を同等に定義できることを裏付ける。形成高補正により等高線の一致が向上する。

ABSTRACT

Context. In a recent statistical study of sunspots in 79 active regions, the vertical magnetic field component $B_ ext{ver}$ averaged along the umbral boundary is found to be independent of sunspot size. The authors of that study conclude that the absolute value of $B_ ext{ver}$ at the umbral boundary is the same for all spots. Aims. We investigate the temporal evolution of $B_ ext{ver}$ averaged along the umbral boundary of one long-lived sunspot during its stable phase. Methods. We analysed data from the HMI instrument on-board SDO. Contours of continuum intensity at $I_ ext{c}=0.5I_ ext{qs}$, whereby $I_ ext{qs}$ refers to the average over the quiet sun areas, are used to extract the magnetic field along the umbral boundary. Projection effects due to different formation heights of the Fe I 617.3 nm line and continuum are taken into account. To avoid limb artefacts, the spot is only analysed for heliocentric angles smaller than $60^{\circ}$. Results. During the first disc passage, NOAA AR 11591, $B_ ext{ver}$ remains constant at 1693 G with a root-mean-square deviation of 15 G, whereas the magnetic field strength varies substantially (mean 2171 G, rms of 48 G) and shows a long term variation. Compensating for formation height has little influence on the mean value along each contour, but reduces the variations along the contour when away from disc centre, yielding a better match between the contours of $B_ ext{ver}=1693$ G and $I_ ext{c}=0.5I_ ext{qs}$. Conclusions. During the disc passage of a stable sunspot, its umbral boundary can equivalently be defined by using the continuum intensity $I_ ext{c}$ or the vertical magnetic field component $B_ ext{ver}$. Contours of fixed magnetic field strength fail to outline the umbral boundary.

研究の動機と目的

• 長寿命 sunspot の安定期に、垂直磁場成分 ($B_{\text{ver}}$) が umbra 境界に沿って時間的に一定であるかどうかを検証すること。
• $I_c = 0.5I_{\text{qs}}$ 等高線（連続スペクトル強度）と $B_{\text{ver}}$ 等高線が umbra 境界を同等に定義できるかどうかを評価すること。
• Fe I 617.3 nm 線と連続スペクトルの形成高さが異なることによる投影効果が、$B_{\text{ver}}$ 測定値に与える影響を評価すること。
• Jurčák 基準の妥当性を検証すること。この基準は、$|B_{\text{ver}}|$ がすべての sunspot で一定であり、umbra 境界を定義すると主張している。

提案手法

• 太陽表面を通過した最初の段階における NOAA AR 11591 の SDO/HMI データセット 1063 組（12分間隔）を用い、縁効果を避けるために太陽中心角が60°未満の範囲に制限する。
• 磁場解析のための umbra 境界を定義するために、$I_c = 0.5I_{\text{qs}}$ 等高線（$I_{\text{qs}}$ は静穏太陽の強度）を用いる。
• スペクトル線と連続スペクトルの形成高さの違いを補正するため、$\Delta h = 465$ km の高さ補正を適用し、投影の正確性を向上させる。
• 時間平均された $B_{\text{ver}}$ を $I_c = 0.5I_{\text{qs}}$ 等高線に沿って計算し、時間的安定性を評価するための平均二乗偏差（$\sigma_t$）を算出する。
• 距離指標（$\left<d\right>_{\psi,t}$）を用いた統計的比較により、$B_{\text{ver}}$ と $I_c$ 等高線の最適一致レベルを特定する。
• ベイズ線形回帰を用いて、対数面積における多項式モデルと比較して、定数 $|B_{\text{ver}}|$ モデルがデータに適合するかどうかを評価する。

Figure 1: Mean magnetic field strength $\left<|B|\right>_{\psi}(t)$ in black (it’s vertical component $\left<B_{\text{ver}}\right>_{\psi}(t)$ in blue) along the $I_{\text{c}}=0.5I_{\text{qs}}$ contour, with $\Delta h=465\,\text{km}$ accounted for, Sinusodial fits and the residuals for NOAA AR 11591.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 安定した sunspot の umbra 境界に沿って、垂直磁場成分 $B_{\text{ver}}$ は時間的に一定であるか？
• RQ2 umbra 境界は、$I_c = 0.5I_{\text{qs}}$ または固定された $B_{\text{ver}}$ 値によって同等に定義できるか？
• RQ3 Fe I 617.3 nm 線と連続スペクトルの形成高さの違いによる投影効果が、umbra 境界に沿った測定された $B_{\text{ver}}$ にどのように影響するか？
• RQ4 観測された $B_{\text{ver}}$ の一定性は、多様な sunspot における umbra 境界定義のための Jurčák 基準を支持するか？

主な発見

• 10日間の期間にわたり、$I_c = 0.5I_{\text{qs}}$ 等高線に沿った時間平均 $B_{\text{ver}}$ は1693 Gで一定であり、平均二乗偏差はわずか15 Gにとどまる。
• $I_c$ と $B_{\text{ver}}$ 等高線の最良一致は $I_c = 0.53I_{\text{qs}}$ および $|B_{\text{ver}}| = 1639$ G で発生し、$I_c = 0.5I_{\text{qs}}$ が umbra 境界を定義するのにほぼ最適であることを確認する。
• 形成高補正を無視する（$\Delta h = 0$）と、等高線に沿った $B_{\text{ver}}$ の変動が30%以上増加し、$I_c$ と $B_{\text{ver}}$ 筭高線の一致が劣化する。
• 本研究は、umbra 境界に沿った $B_{\text{ver}}$ の時間的安定性を確認し、$|B_{\text{ver}}|$ が安定した sunspot における普遍的な境界定義であると主張する Jurčák 基準を支持する。
• 観測された $B_{\text{ver}}$ 値1693 G は、Jurčák 他（2018）の統計的値1867 G と整合しており、機器の分解能とフィラメント因子効果による差異が原因であるとされる。
• 固定 $B_{\text{ver}}$ 強度の等高線は umbra 境界を正しく輪郭づけられないが、$I_c = 0.5I_{\text{qs}}$ および $B_{\text{ver}} = 1693$ G の等高線は非常によく一致しており、両者の同等性を確認する。

Figure 2: As Fig. 1 , but from contours at $I_{\text{c}}=0.4I_{\text{qs}}$ .