[論文レビュー] Vortex Flows in the Solar Chromosphere -- I. Automatic detection method

Y. Kato, Sven Wedemeyer|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2017

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 21被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、太陽の磁気トルネードの観測可能な痕跡であるコアスフィアの渦流を、線積分コンvolution（LIC）および渦度強度を用いて自動検出する手法を提示する。渦度強度法は強化渦度法よりも精度と信頼性に優れ、従来の視覚的検査では検出されなかった微小で一時的な渦流の多数が存在することが明らかになった。

ABSTRACT

Solar "magnetic tornadoes" are produced by rotating magnetic field structures that extend from the upper convection zone and the photosphere to the corona of the Sun. Recent studies show that such rotating features are an integral part of atmospheric dynamics and occur on a large range of spatial scales. A systematic statistical study of magnetic tornadoes is a necessary next step towards understanding their formation and their role for the mass and energy transport in the solar atmosphere. For this purpose, we have developed a new automatic detection method for chromospheric swirls, i.e. the observable signature of solar tornadoes or, more generally, chromospheric vortex flows and rotating motions. Unlike the previous studies that relied on visual inspections, our new method combines a line integral convolution (LIC) imaging technique and a scalar quantity which represents a vortex flow on a two-dimensional plane. We have tested two detection algorithms, based on the enhanced vorticity and vorticity strength quantities, by applying them to 3D numerical simulations of the solar atmosphere with CO5BOLD. We conclude that the vorticity strength method is superior compared to the enhanced vorticity method in all aspects. Applying the method to a numerical simulation of the solar atmosphere revealed very abundant small-scale, short-lived chromospheric vortex flows that had not been found by visual inspection before.

研究の動機と目的

• コアスフィアの渦流を、太陽の磁気トルネードの観測可能な痕跡として、客観的かつ自動的に検出するための手法を開発すること。
• 視覚的検査には限界があり、サンプルが小さく偏りが生じやすく、渦流の真の豊度が低く見積もられることを克服すること。
• エネルギーおよび質量輸送における渦流の役割を評価するための、体系的な統計的分析を可能にすること。
• 現実的な3次元MHDシミュレーションを用いて、2つの渦流検出アルゴリズム（強化渦度と渦度強度）を評価および比較すること。
• コアスフィアの渦流の空間的・時間的分布を定量化し、現在の観測機器での検出可能性を評価すること。

提案手法

• 本手法は、3次元太陽コアスフィアシミュレーションに適応された局所相関追跡（LCT）法を用いて、シミュレーションデータから速度場を再構築することから始まる。
• 線積分コンボリューション（LIC）を適用して流れのパターンを可視化し、コアスフィア速度場における渦状の運動の可視性を向上させる。
• 2つの渦流検出指標を評価する：強化渦度と渦度強度。両者とも2次元平面に定義され、回転特徴を特定することを目的としている。
• 渦度強度は、流れの向きに依存しない回転の大きさを表すスカラー量として計算され、弱いまたは複雑な渦流の検出を向上させる。
• 検出パイプラインには、渦の特徴の空間的・時間的整合性を評価して、ノイズや一時的なアーチファクトと真正の渦を区別するイベント同定の段階が含まれる。
• 本手法は合成テストケースで検証され、太陽コアスフィアの完全な3次元CO5BOLDシミュレーションに適用され、性能と検出可能性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強化渦度法と渦度強度法は、3次元太陽シミュレーションにおけるコアスフィアの渦流を検出する際に、どのように比較されるか？
• RQ2 コアスフィアの渦流の空間的・時間的分布、特に直径と寿命の観点から、どのように分布しているか？
• RQ3 現在の観測解像度で検出可能な渦流はどれくらいで、何が機器の限界により検出されないまま残っているのか？
• RQ4 微小スケールの渦流は、太陽コアスフィアにおけるエネルギーおよび運動量輸送にどの程度寄与しているか？
• RQ5 自動検出手法は、視覚的検査では検出できないほど微小または短命な渦流を信頼性高く同定できるか？

主な発見

• 渦度強度法は、コアスフィアの渦流の検出および正確な位置特定において、強化渦度法を著しく上回っている。
• コアスフィアの渦流は、シミュレーションにおいて極めて豊富に存在し、直径と寿命にわたって連続的な分布を示している。
• 最小で最も短命な渦流が最も多数を占めており、現在の観測検出限界以下に位置する多数の流れが存在する。
• シミュレーションにおける渦流の発生率は、1.9×10⁻⁴ 個 Mm⁻² min⁻¹ と推定され、従来の視覚的推定と一致するが、今や自動検出によって裏付けられている。
• 多くの検出済みの渦流は直径1 Mm未満、寿命3分未塔であり、現在の望遠鏡では検出不可能であることが示された。
• 将来の望遠鏡、例えばDKISTやESTは、これらの微小スケールの流れを解像可能とし、それらがコアスフィア加熱に与える累積的寄与を直接研究可能になると期待される。