[論文レビュー] On the Formation of Penumbrae as Observed with the German VTT, SOHO/MDI, and SDO/HMI

R. Schlichenmaier, R. Rezaei+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、ドイツ真空望遠鏡（VTT）、SOHO/MDI、SDO/HMIからの高解像度観測を用いて、太陽 sunspot における penumbrae の形成を調査している。penumbrae は、pores の合体と出現する二極子の共存によって形成され、小スケール要素の凝集によって磁気フラックスが増加する。合体中に形成された light bridges は時間とともに消失し、磁場の傾きと空間的自由度が十分に確保された状態で、磁場の干渉を避けることで、penumbral 構造が出現する。

ABSTRACT

Solar magnetic fields are generated in the solar interior and pop up at the solar surface to form active regions. As the magnetic field appears on the surface, it forms various structures like small magnetic elements, pores, and sunspots. The nature of these formation processes is largely unknown. In this contribution we elaborate on the formation of sunspots and particularly on the formation of penumbrae. We report on observations that we obtained at the German VTT on July 4, 2009 on the formation of the spot in AR 11024. This data set is accomplished with data from SOHO/MDI which offers an entire time coverage. Moreover, the evolution of AR 11024 is compared with a particular event of penumbra formation in AR 11124 around November 13, 2010, using intensity images from SDO/HMI. We conclude that two processes contribute to the increase of the magnetic flux of a sunspot: (1) merging pores, and (2) emerging bipoles of which the spot polarity migrates towards and merges with the spot. As the penumbra forms the area, magnetic flux, and maximum field strength in the umbra stay constant or increase slightly, i.e. the formation of the penumbra is associated with flux emergence and an flux increase of the proto-spot. If two pores merge or if a pore merges with a proto-spot a light bridge is created. This initial light bridge dissolves in the further evolution.

研究の動機と目的

• 太陽 sunspot における penumbrae 形成の物理的メカニズムを理解すること、これは太陽物理学における長年の問題である。
• sunspot の形成中に磁気フラックスがどのように増加するかを調査し、その増加が penumbral 発達と関連しているかどうかを検討すること。
• pores の合体と出現する二極子が、活発領域の進化および light bridges の形成に果たす役割を検討すること。
• 磁場の傾きと空間的静穏性の役割を含め、penumbral 構造が出現する条件を特定すること。
• penumbral 形成に先行する流れのパターンを分析し、umbral から penumbral の対流への移行を引き起こす可能性があるかを評価すること。

提案手法

• 2009年7月4日、ドイツ真空望遠鏡（VTT）が0.3 arcsec解像度で得た多波長分光偏光観測により、AR 11024におけるプロトスポットの形成が記録された。
• SOHO/MDIの連続画像および磁気計測データにより、AR 11024の全期間にわたるフラックス変化とスポット発達の追跡が可能になった。
• SDO/HMIの強度画像を用いて、2010年11月13日ごろのAR 11124の進化を分析し、特に penumbra 形成と light bridge 動態に注目した。
• VTT、MDI、HMIのスナップショットの時系列解析を用いて、pore の移動、合体イベント、および penumbral フラグメントの出現を追跡した。
• 磁場のトポロジーと傾きを分析し、penumbral 対流モードが出現する条件を評価した。
• 流れ場の解析を実施し、特に通常の Evershed 流とは逆方向の異常な流れを検出することで、penumbral 形成の前触れを特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 penumbra の形成中に磁気フラックスが増加する背後にある物理的プロセスは何か？
• RQ2 pores の合体と出現する二極子は、プロトスポットの成長と penumbral 構造の発達にどのように寄与するか？
• RQ3 なぜ penumbral 形成は light bridges と周囲の umbrae の接合部に特に偏って発生するのか？また、なぜ出現地点付近では抑制されるのか？
• RQ4 通常の Evershed 流とは逆方向の特異な流れは、penumbral フラグメント形成の初期段階に果たす役割は何か？
• RQ5 umbral から penumbral の磁気対流への移行が発生する磁場条件は何か？

主な発見

• penumbrae は、2つの pores の合体と、その後に続く出現する二極子からの磁気要素の凝集によって形成され、penumbral 形成段階ではそれ以上の pores 合体は見られない。
• 磁気フラックスは、pores 合体と出現する二極子からの磁気要素の流入によって、形成過程を通じて安定的に増加する。
• pores 合体時に形成された light bridges は時間とともに消失し、約3.5時間以内にほとんど見えなくなることから、進化する sunspot において一時的であることが示された。
• penumbrae は、light bridges の外縁に特に形成されやすいが、磁場が十分に傾いており、流入するフラックスによる干渉がない空間的静穏状態である場合に限って成立する。
• penumbral フラグメント形成の前には、通常の Evershed 流とは逆方向の特異な流れが観測されるが、その発生メカニズムは未解明のままである。
• umbral から penumbral 対流への移行は、磁場傾きの臨界的増加に関連しており、penumbral モードの発生に閾値条件が存在する可能性を示唆している。