[論文レビュー] The solar magnetic field since 1700: I. Characteristics of sunspot group emergence and reconstruction of the butterfly diagram

Jie Jiang, R. H. Cameron+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 31被引用数 54

ひとこと要約

本稿では、太陽のバタフライ図を1700年以降に再構築する。そのために、群の sunspot 数（$R_G$）と、群の特徴（位置、面積、傾き角、経度）との間の統計的相関関係に基づいて、半合成的な sunspot 群データを生成する。これらの相関関係をモデル化することで、時間分解能を持ち、統計的に整合性のある sunspot 発生の再構築が可能となり、太陽の磁場の長期的進化、特にフラックス輸送および放射照度モデル化の研究が可能になる。

ABSTRACT

We use the historic record of sunspot groups compiled by the Royal Greenwich Observatory together with the sunspot number to derive the statistical properties of sunspot group emergence in dependence of cycle phase and strength. In particular we discuss the latitude, longitude, area and tilt angle of sunspot groups as functions of the cycle strength and of time during the solar cycle. Using these empirical characteristics the time-latitude diagram of sunspot group emergence (butterfly diagram) is reconstructed from 1700 onward on the basis of the Wolf and group sunspot numbers. This reconstruction will be useful in studies of the long-term evolution of the Sun's magnetic field.

研究の動機と目的

• 1700年以降の太陽のバタフライ図の長期的進化を、sunspot 数データのみを用いて再構築すること。
• sunspot 群発生特性（位置、面積、傾き角、経度）と太陽活動周期の特性（位相、強度）との間の統計的関係をモデル化すること。
• 長期的な太陽磁場の進化モデル化に使用可能な、半合成的な sunspot 群発生データセットを生成すること。
• 数世紀にわたる太陽の開放フラックス、極磁場の進化、および放射照度変動に関するモンテカルロ的手法による研究を可能にすること。

提案手法

• 1700年以降の sunspot 群発生の再構築に、群の sunspot 数（$R_G$）を時間ベースとして用いる。
• RGO、MWO、Kodaikanal データセットを用いて、$R_G$ から導かれる周期パラメータ（強度、位相）と、sunspot 群の特徴（位置、面積、傾き角、経度）との間の経験的相関関係を確立する。
• 周期位相の2次多項式関数として平均発生位置をモデル化し、周期強度に依存する振幅を組み込む。
• 小規模な群の面積はべき乗則を、大規模な群の面積は対数正規分布を用いてシミュレートし、周期最大期に平均面積が増加するようにする。
• 周期強度と位相に依存する傾き角の統計と経度分布を、観測された相関関係に基づいて組み込む。
• 得られた統計的分布から、$R_G$ および $R_Z$ 時系列に条件づけたランダム実現を抽出することで、半合成的なバタフライ図を生成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽活動周期の位相と強度に応じて、sunspot 群の平均発生位置と位置分布の広がりはどのように変化するか？
• RQ2 sunspot 群の面積分布と周期位相または周期強度との間の統計的関係は何か？
• RQ3 sunspot 群の傾き角と経度分布は、周期パラメータとどのように相関するか？
• RQ4 経験的相関関係を用いて、$R_G$ のみからバタフライ図をどの程度再構築できるか？
• RQ5 1874年以前において、$R_G$ と $R_Z$ の差異が再構築されたバタフライ図に及ぼす影響は何か？

主な発見

• sunspot 群の平均発生位置は、周期位相の2次多項式に従い、強度の高い周期では平均位置が高くなる。
• 位置分布の広がりと平均発生位置の比は、周期位相に応じて体系的に変化し、太陽表面全体における活動の非一様分布を示している。
• sunspot 群の面積分布は周期間で一貫しており、小規模群ではべき乗則、大規模群では対数正規分布のプロファイルを示す。
• 周期最大期には、特に強度の高い周期において、sunspot 群の平均面積が顕著に大きくなる。
• sunspot ネスト（複数の群が集まったクラスタ）は、周期最大期に顕著に現れ、群数のピーク観測に寄与している。
• 再構築されたバタフライ図では、$R_G$ と $R_Z$ を用いた場合に、1874年以前にわずかだが周期依存の差異が見られ、両者の sunspot 数シリーズに生じる不一致を反映している。