[論文レビュー] Time series of high resolution photospheric spectra in a quiet region of the Sun. II. Analysis of the variation of physical quantities of granular structures

K. G. Puschmann, B. Ruiz Cobo+3 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2012

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 23被引用数 33

ひとこと要約

本研究は、静穏太陽領域の高分解能時系列スペクトログラムを分析し、太陽の粒状構造および粒間領域における熱力学的および速度構造の垂直階層的分布を導出する。観測された線幅プロファイルに対する逆問題技術を用いることで、温度揺動が高さとともに急速に減衰し、log τ ≈ −1 でコherencyが失われるのを明らかにした。一方、対流速度は特に大きな粒状構造においてより深くまで浸透しており、光球密度逆転層を超えて顕著なオーバーシュートが生じている観測的証拠が得られた。

ABSTRACT

From the inversion of a time series of high resolution slit spectrograms obtained from the quiet sun, the spatial and temporal distribution of the thermodynamical quantities and the vertical flow velocity is derived as a function of logarithmic optical depth and geometrical height. Spatial coherence and phase shift analyzes between temperature and vertical velocity depict the height variation of these physical quantities for structures of different size. An average granular cell model is presented, showing the granule-intergranular lane stratification of temperature, vertical velocity, gas pressure and density as a function of logarithmic optical depth and geometrical height. Studies of a specific small and a specific large granular cell complement these results. A strong decay of the temperature fluctuations with increasing height together with a less efficient penetration of smaller cells is revealed. The T -T coherence at all granular scales is broken already at log tau =-1 or z~170 km. At the layers beyond, an inversion of the temperature contrast is revealed. Vertical velocities are in phase throughout the photosphere and penetrate into the highest layers under study.

研究の動機と目的

• 太陽光球における粒状構造の全範囲にわたる物理量（温度、速度、圧力、密度）の空間的・時間的変動を特定すること。
• 時系列分光データを用いて、対流エネルギー輸送および乱流特性が高さおよび粒状構造のスケールにどのように依存するかを調査すること。
• 観測された速度および温度揺動を数値的対流シミュレーションの予測と比較することで、その妥当性を検証すること。
• H⁻吸収率が異なる光学的深さおよび幾何的高さにおける温度対比および揺動の形状を決定する役割を検討すること。

提案手法

• SIR（応答関数に基づくストークス逆問題）コードを用いて高分解能スリットスペクトログラムを逆問題化し、大気パラメータを光学的深さ（log τ）および幾何的高さ（z）の関数として導出する。
• 温度と垂直速度の間の空間的コヒーレンスおよび位相差解析を実施し、高さに伴う対流構造の伝播および減衰を評価する。
• 平均粒状セルモデルを構築し、光球全域における温度、垂直速度、ガス圧力、密度の階層的分布を表現する。
• 大規模および小規模な粒状セルを比較することで、対流速度および温度揺動のスケール依存的挙動を検討する。
• 共通の幾何的高さグリッドを用いて物理量の水平比較を可能にするが、これは静水圧平衡の仮定により人工的な圧力差を生じさせる可能性がある。
• Stein & Nordlund (1998) の数値シミュレーションと比較することで結果の妥当性を検証し、特に速度振幅および垂直プロファイル形状の類似性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるサイズの粒状構造において、温度および垂直速度揺動は高さ（log τ および z）にどのように依存するか？
• RQ2 対流速度はどの程度光球上層部まで浸透するのか？また、これは粒状構造のスケールにどのように依存するか？
• RQ3 等しい光学的深さと等しい幾何的高さにおける温度揺動の振幅および垂直分布に、H⁻吸収率が果たす役割は何か？
• RQ4 大規模な粒状構造では、より高い層で温度対比の逆転（逆転）が観測されるのはなぜか？
• RQ5 観測された速度および温度プロファイルは、3次元放射移動対流シミュレーションの予測とどの程度一致するか？特に、速度極値の相対的大きさおよび垂直位置の一致度は？

主な発見

• 温度揺動は高さとともに急速に減衰し、log τ ≈ −1 あるいは z ≈ 170 km でコヒーレンスを失う。この高さでΔTの最小値が観測される。
• 1.5″以上の大きな粒状構造では、log τ ≈ −1 を超えて温度対比の逆転が観測され、上層部では冷却された粒状構造と加熱された粒間領域が顕著になる。
• 等しい光学的深さ（log τ = 0.2）では、H⁻吸収率の高い感度により温度揺動はわずかΔT ≈ 400 Kにとどまるが、等しい幾何的高さ（z = −40 km）ではΔTが1400 Kに達する。これは吸収率効果を明確に裏付ける。
• 垂直速度揺動は温度よりも高さに伴う減衰が遅く、1.4″以上の構造ではz ≈ 370 km（log τ ≈ −2.8）まで検出可能であり、深くまで浸透していることを示す。
• 最大の垂直速度揺動（ΔVz）は光球深部で1.4 km s⁻¹に達し、粒状構造の速度は粒間領域よりも高い層でピークを示す。これはStein & Nordlund (1998) のシミュレーションと一致する。
• 速度および温度構造のサイズ依存的高さ分布の類似性は、密度逆転層を越えて対流運動が顕著にオーバーシュートしていることを強く示唆する観測的証拠である。