[論文レビュー] Solar-Cycle Variation of quiet-Sun Magnetism and Surface Gravity Oscillation Mode

M. J. Korpi, A. Lagg+2 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2022

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 33被引用数 14

ひとこと要約

本研究は、12年間のHMI/SOHOデータを用いて、静穏太陽（QS）の磁気および表面重力fモードエネルギーの太陽活動11年周期の変化を調査する。自動化されたパイプラインを構築し、最も静穏な領域を同定し、fモードエネルギーを計算した結果、太陽活動周期とは逆方向に位相がずれた相関関係が示された。ピークはSC24後期に観測され、2017年まで低下し、太陽活動最小期以降には高緯度で強化が見られた。これは、局所的なダイナモ作用やトロイダル磁場ではなく、大規模な極磁場に起因する可能性を示唆している。

ABSTRACT

The origin of the quiet Sun magnetism is under debate. Investigating the solar cycle variation observationally in more detail can give us clues about how to resolve the controversies. We investigate the solar cycle variation of the most magnetically quiet regions and their surface gravity oscillation ($f$-) mode integrated energy ($E_f$). We use 12 years of HMI data and apply a stringent selection criteria, based on spatial and temporal quietness, to avoid any influence of active regions (ARs). We develop an automated high-throughput pipeline to go through all available magnetogram data and to compute $E_f$ for the selected quiet regions. We observe a clear solar cycle dependence of the magnetic field strength in the most quiet regions containing several supergranular cells. For patch sizes smaller than a supergranular cell, no significant cycle dependence is detected. The $E_f$ at the supergranular scale is not constant over time. During the late ascending phase of Cycle 24 (SC24, 2011-2012), it is roughly constant, but starts diminishing in 2013, as the maximum of SC24 is approached. This trend continues until mid-2017, when hints of strengthening at higher southern latitudes are seen. Slow strengthening continues, stronger at higher latitudes than at the equatorial regions, but $E_f$ never returns back to the values seen in 2011-2012. Also, the strengthening trend continues past the solar minimum, to the years when SC25 is already clearly ascending. Hence the $E_f$ behavior is not in phase with the solar cycle. The anticorrelation of $E_f$ with the solar cycle in gross terms is expected, but the phase shift of several years indicates a connection to the poloidal large-scale magnetic field component rather than the toroidal one. Calibrating AR signals with the QS $E_f$ does not reveal significant enhancement of the $f$-mode prior to AR emergence.

研究の動機と目的

• 太陽の最も磁気的に静穏な領域における磁気フラクチュエーションの太陽活動周期依存性を調査すること。
• 1つの太陽活動周期にわたる、これらの静穏太陽領域における表面重力fモードエネルギー（Ef）の時間的変化を定量すること。
• fモードエネルギーを高精度に校正するための、自動化された堅牢な方法を開発し、活動領域（AR）の前駆信号を評価すること。
• QSをベースラインとして用い、活動領域（AR）発生の数日前にfモードエネルギーに顕著な増幅が見られるかどうかを検証すること。

提案手法

• 2010–2022年をカバーする、SDOの12年間分のHMI全ディスク線路上下磁気計測データおよびドップラーガムを用いた。
• 活動領域（AR）およびその影響を除外するため、空間的・時間的選別基準を厳密に適用した。
• 全利用可能な磁気計測データを処理し、選択された静穏パッチのEfを計算するための自動化・高スループットなパイプラインを開発した。
• 信号対雑音比を向上させ、ばらつきを低減するため、空間的および時間的平均を実施した。
• ARのfモードエネルギー信号をQSベースラインと比較し、発生前増幅を評価した。
• 緯度および時間に依存する平均化を用い、太陽周期24および25の各段階および緯度におけるEfの変化を追跡した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最も静穏な太陽領域における磁場強度は、太陽活動周期に従って変化するか？
• RQ2 静穏太陽領域における表面重力fモードエネルギー（Ef）は、太陽活動周期に伴いどのように変化するか？
• RQ3 QSベースラインと比較した場合、活動領域（AR）形成の数日前にfモードエネルギーに検出可能な増幅が見られるか？
• RQ4 Efの変化の位相と、大規模な太陽磁場成分（極磁場対トロイダル磁場）との関係は何か？
• RQ5 観測機器の影響や分解能制限が、観測されたEf変化にどの程度寄与しているか？

主な発見

• 数個のスーパークルスターセルを含む最も静穏な領域における磁場強度は、明確な太陽活動周期依存性を示し、太陽活動周期24のピークに近づく2011–2012年から2013年にかけて減少した。
• スーパークルスターセルより小さいパッチサイズでは、有意な太陽活動周期依存性は検出されず、これはHMIの空間分解能および磁気感度の限界によるものとされる。
• スーパークルスターサイズのEfは、周期24の上行期後期（2011–2012年）には概ね一定であったが、2013年から低下し、2017年半ばまで持続的に減少した。
• 2017年半ば以降、特に南半球の高緯度でEfはゆっくりと強化し始めたが、太陽活動最小期を経て周期25の上行期にかけても、2011–2012年の水準には回復しなかった。
• 太陽活動周期とEf変化の間に数年分の位相ずれが認められることから、トロイダル磁場ではなく、大規模な極磁場との強い関連性が示唆された。
• QSベースラインと比較した場合、ARのfモード信号は僅かで一時的な増幅しか示さず、自然なQS変動と同等またはそれ以下の大きさであった。したがって、fモードエネルギーの増幅によるAR発生予測は信頼できない。