[論文レビュー] On the Role of Acoustic-gravity Waves in the Energetics of the Solar Atmosphere

T. Straus, B. Fleck+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2010

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、高分解能の Hinode および SOHO 観測を用いて、太陽の光球下層における音響重力波の加熱役割を再評価する。720 km の高度で内部重力波が約 2 kW m⁻² のエネルギーフラックスを運んでいることが判明し、これは光球の放射損失と同等である。また、高周波数の音響波は、従来の推定値よりも 3–5 倍のエネルギーフラックスを運んでいることが示され、波による加熱が不十分であるという従来の結論に疑問を呈する。

ABSTRACT

In a recent paper (Straus et al. 2008) we determined the energy flux of internal gravity waves in the lower solar atmosphere using a combination of 3D numerical simulations and observations obtained with the IBIS instrument operated at the Dunn Solar Telescope and the Michelson Doppler Imager (MDI) on SOHO. In this paper we extend these studies using coordinated observations from SOT/NFI and SOT/SP on Hinode and MDI. The new measurements confirm that gravity waves are the dominant phenomenon in the quiet middle/upper photosphere and that they transport more mechanical energy than the high-frequency (> 5mHz) acoustic waves, even though we find an acoustic flux 3-5 times larger than the upper limit estimate of Fossum & Carlsson (2005). It therefore appears justified to reconsider the significance of (non-M)HD waves for the energy balance of the solar chromosphere.

研究の動機と目的

• 協働された Hinode および SOHO 観測を用いて、太陽の大気における内部重力波および高周波数音響波のエネルギーフラックスを再評価すること。
• 特に従来の推定値が低く抑えられていた重力波の貢献を評価することで、長年の光球加熱問題を解決すること。
• 特にモード変調関数（MTF）を含む、機器的および線形成効果が音響波フラックスの推定値に歪みをもたらす可能性を是正すること。
• 重力波および高周波数音響波が、光球の放射損失を総合的に補填できるかどうかを検証すること。
• 異なる高度におけるドップラー速度測定を用いて、複数の大気層にわたる波の伝播特性およびエネルギー輸送を調査すること。

提案手法

• SOT/NFI Mg II b 2 フィルター写真と MDI Ni I 6768 Å 観測の 12 時間分の時間系列データを、それぞれ 40 秒および 60 秒のコマ間隔、画素あたり 0.32'' および 0.61'' の空間分解能で統合した。
• NFI および MDI データを時間的に一致させるために立方スプライン補間を用い、ブルー／レッドウェッジ差分によるドップラーグラムを構築し、シフトされたフィルター設定を用いてキャリブレーションした。
• ドップラーベロシティキューブに対して 3 次元フーリエ変換を実行し、複素フーリエ係数を計算し、k–ν 領域における位相差を分析した。
• 位遅延スペクトルから垂直位相速度および群速度を算出し、高周波数位遅延の傾きを用いて、波生成層の間隔が約 600 km であると推定した。
• 720 km 高度における VAL モデル密度（5.97×10⁻⁷ kg m⁻³）を用いて、重力波エネルギーフラックスを式 ρ₀⟨v²⟩v_g,z(k_h,ν) で推定した。
• 高周波数波については、分層大気における単色波合成を用いて Fe I 6301 線形成の MTF をモデル化し、観測されたパワー スペクトルを補正して真のフラックスを回復した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 内部重力波が上層光球で実際に運ぶエネルギーフラックスはどの程度で、それは光球の放射損失を相殺できるか？
• RQ2 Hinode で観測された音響波フラックスは、Fossum & Carlsson (2005) が提示した上限推定値と比べてどの程度か？
• RQ3 線形成効果、特にモード変調関数（MTF）が、高周波数波エネルギーフラックスの測定にどの程度バイアスをもたらすか？
• RQ4 重力波および高周波数音響波の伝播特性にはどのような相違があり、それらが波動ダイナミクスをどのように示すか？
• RQ5 改善された観測およびモデル制約のもとで、重力波および高周波数音響波の合計エネルギーフラックスが、光球エネルギー収支を説明できるか？

主な発見

• 720 km 高度における上層光球で、内部重力波が約 2 kW m⁻² のエネルギーフラックスを運んでいると推定され、これは光球の全放射損失と同等である。
• 400 km 高度における高周波数音響波フラックスは、5–31 mHz の範囲で 1600 W m⁻² と推定され、Fossum & Carlsson (2005) が報告した上限値 438 W m⁻² よりも 3–5 倍高い。
• Fe I 6301 線の MTF は、5–30 mHz の範囲で高周波数波パワーを最大 2 時間分まで抑制しており、これは従来のフラックス推定値が顕著に低く抑えられていたことを示している。
• MTF 効果は非常に強く、信号対雑音比に応じて、高周波数域でパワー スペクトルの逆転（逆転現象）を引き起こす可能性があり、光球における波動の複雑な挙動を示唆している。
• k–ν 図における位相差スペクトルは、重力波領域で下方への位相伝播を明確に示しており、伝搬する内部重力波の存在を確認した。
• 本研究は、重力波および高周波数音響波が、従来の認識よりもはるかに重要な役割を果たしている可能性があり、それらのエネルギー的意義を再評価する必要があると結論づけた。