[論文レビュー] Rotation of the photospheric magnetic field through solar cycles 21, 22, 23

E. Gavryuseva|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2018

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、30年間のウィルコックス太陽観測所データを分析し、光球磁場（SMF）が高緯度領域で特異な11年周期の変調を伴う差動回転を示すことを明らかにした。太陽活動極小期には回転が剛体的になり、磁場反転期には加速する。この結果は、両半球にわたって同期した、極から赤道へと伝わるねじり波の存在を確認し、低緯度では5–6年周期の準周期的変動を示しており、太陽ダイナモおよびヘリオスフィア構造に深く関与している可能性を示唆する。

ABSTRACT

Rotation of the large scale solar magnetic field has a great importance for the understanding of solar dynamic, for the search of longitidinal structure and for the study of solar-terrestrial relations. 30-year long observations taken at the Wilcox Solar Observatory (USA) in 21-23 cycles have been analysed carefully to deduce magnetic field rotation rate at different latitudes in both hemispheres and its variability in time. The WSO data appear to indicate that additionally to the differential rotation along the latitudes there are running waves of fast rotation of the magnetic field. These torsional waves are running from the poles to the equator with a period of 11 years. The rotation of the magnetic field (RMF) is almost rigid at latitudes above 55 degrees in both hemispheres. The rotation rate in the sub-polar regions is slower when the magnetic field is strong there (during minima of solar activity), and faster when the magnetic field changes polarity (during maxima of solar activity).

研究の動機と目的

• 長期間の観測データを用いて、太陽周期21–23にわたる大規模光球磁場（SMF）の差動回転を調査すること。
• 太陽活動周期、特に高緯度領域におけるSMF回転速度の時間的変調を特定すること。
• SMF回転にねじり波に類似したパターンが存在するか、およびそれが太陽周期の段階とどのように相関するかを同定すること。
• SMF回転を光球プラズマ回転と比較し、太陽ダイナモ理論およびヘリオスフィア構造に与える意味を評価すること。
• 異なるデータ期間と緯度で、複数の手法（FFTと自己相関）を用いた回転速度測定の一貫性を評価すること。

提案手法

• 太陽周期21–23をカバーする29年間の全円盤磁場計測データ（WSO）を用い、5°の経度分解能およびsin(θ)に基づく緯度分解能を有する。
• SMF時系列データから回転周期を抽出するために、高速フーリエ変換（FFT）および自己相関手法を適用した。
• 29年間の全データセットおよび40カーリングトン回転（約3年）の短いサブセットに対して、回転周期を計算し、時間的変動を評価した。
• FFTおよび自己相関を用いて、平均回転周期を緯度関数としてマッピングし、誤差棒はデータ分解能および統計的不確実性を反映した。
• 時間的経過に伴う平均からの回転周期のずれを分析し、特に11年周期および5–6年周期の振動を検出した。
• FFTと自己相関の両手法による結果の整合性を検証し、特に高緯度領域での正確性を向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽周期21–23にわたる大規模光球磁場の回転速度は、緯度に応じてどのように変化するか？
• RQ2 SMF回転速度に、11年周期の太陽活動周期と相関する周期的変調が存在するか、特に高緯度領域でそうか？
• RQ3 SMF回転にねじり波に類似したパターンが極から赤道へと伝播するか。また、プラズマやヘルモセイスミーで観測されたものと比較するとどうか？
• RQ4 なぜSMFは高緯度（55°以上）で光球プラズマよりも剛体的回転を示すのか。これは磁場フラックス輸送にどのような意味を持つのか？
• RQ5 表面で測定されたものと比較して、準表面層のSMF回転周期はどのように異なるのか。これにより、太陽内部のダイナミクスに何が明らかになるか？

主な発見

• 両半球の55°以上の高緯度領域で、光球磁場は剛体的回転を示し、低緯度と比較して0.5–0.7日（1.7–2.3%）の回転周期短縮を示す。
• SMF回転速度は、磁場が強い活動極小期には遅くなり、反転期（活動極大期）には速くなるため、明確な11年周期の変調を示す。
• ねじり波がSMF回転速度に観測され、極から赤道へと約11年周期で伝播する。FFTおよび自己相関手法の両方で確認された。
• 低緯度の活発領域および赤道付近領域では、回転速度変動に5–6年周期の準周期的変動が検出され、両半球で同期している。
• 高緯度におけるSMF回転速度は、光球プラズマのそれよりもより剛体的であるため、磁場フラックスが数週間のスケールで対流圏の底付近などより深い層から補充されている可能性を示唆する。
• 結果は、ヘリオセイスミックの結果と整合しており、ねじり振動が対流層を貫いており、タコクリン層と関連していることが示され、表面下の回転変化に1.3年周期の変動が存在する。