[논문 리뷰] A distinct magnetic property of the inner penumbral boundary. II. Formation of a penumbra at the expense of a pore

J. Jurčák, N. Bello González외 2명|ASEP|2016. 12. 06.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 24인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 자성력이 1.8 kG인 전통적인 안정된 우브라-펜듈라 경계 값 이하인 수직 자속(≤1.4 kG)을 유지하는 투구의 경우, 투구의 자속이 펜듈라로 이행함에 따라 펜듈라가 형성됨을 보여준다. 펜듈라 빛나는 입자가 투구로 침투함에 따라 자속은 수직에서 수평으로 재구성되며, 이로 인해 투구가 완전히 사라지고 고립된 펜듈라가 형성된다.

ABSTRACT

We recently presented evidence that stable umbra-penumbra boundaries are characterised by a distinct canonical value of the vertical component of the magnetic field, $B^{ m stable}_{ m ver}$. In order to trigger the formation of a penumbra, large inclinations in the magnetic field are necessary. In sunspots, the penumbra develops and establishes by colonising both umbral areas and granulation, that is, penumbral magneto-convection takes over in umbral regions with $B_{ m ver} < B^{ m stable}_{ m ver}$, as well as in granular convective areas. Eventually, a stable umbra-penumbra boundary settles at $B^{ m stable}_{ m ver}$. Here, we aim to study the development of a penumbra initiated at the boundary of a pore, where the penumbra colonises the entire pore ultimately. We have used Hinode/SOT G-band images to study the evolution of the penumbra. Hinode/SOT spectropolarimetric data were used to infer the magnetic field properties in the studied region. The penumbra forms at the boundary of a pore located close to the polarity inversion line of NOAA\,10960. As the penumbral bright grains protrude into the pore, the magnetic flux in the forming penumbra increases at the expense of the pore magnetic flux. Consequently, the pore disappears completely giving rise to an orphan penumbra. At all times, the vertical component of the magnetic field in the pore is smaller than $B^{ m stable}_{ m ver} \approx 1.8$~kG. Our findings are in an agreement with the need of $B^{ m stable}_{ m ver}$ for establishing a stable umbra-penumbra boundary: while $B_{ m ver}$ in the pore is smaller than $B^{ m stable}_{ m ver}$, the protrusion of penumbral grains into the pore area is not blocked, a stable pore-penumbra boundary does not establish, and the pore is fully overtaken by the penumbral magneto-convective mode. This scenario could also be one of the mechanisms giving rise to orphan penumbrae.

연구 동기 및 목표

• 투구 경계에서 펜듈라 형성 과정을 조사하고, 특히 투구에서 펜듈라로 자속이 어떻게 이행되는지 규명하는 것.
• 전통적인 수직 자기장 값인 1.8 kG(B_ver^stable)가 펜듈라-투구 경계의 안정성을 유지하는 임계값으로 작용하는지 판단하는 것.
• 투구가 펜듈라 자기대류에 의해 완전히 식민화되어 고립된 펜듈라가 형성되는 메커니즘을 탐구하는 것.
• 저자속 환경에서 펜듈라 발달을 촉발하고 유지하는 자기장 기울기와 자속 변화의 역할을 분석하는 것.

제안 방법

• 활성역 NOA 10960의 투구 및 펜듈라 구조의 시간적 변화를 추적하기 위해 고해상도 Hinode/SOT G-band 영상(공간 해상도 0.11″)을 활용하였다.
• Fe I 선에서 630.15 및 630.25 nm에 위치한 Hinode/SOT 스펙트로폴라리메트릭 데이터를 적용하여 수직 성분(B_ver), 기울기 및 자속 분포를 포함한 자기장 벡터를 추론하였다.
• 스토크스 프로파일에서 물리적 매개변수를 추출하기 위해 SIR 역산 코드를 사용하여 투구 및 펜듈라 영역에서 자기장 특성의 정밀 맵핑을 가능하게 하였다.
• 시간에 따라 투구 및 펜듈라 영역의 자기장 자속 변화를 추적하며, 펜듈라 입자 침투를 통해 투구에서 펜듈라로 자속 이행을 관찰하였다.
• 투구 내 수직 자기장 강도(최대 1.4 kG)를 전통적인 B_ver^stable 값인 1.8 kG와 비교하여 경계 안정성을 평가하였다.
• 기울기 맵을 사용하여 자기장 선 연결성을 분석하여, 펜듈라가 반대 극성의 투구로부터 분리되어 있는지 확인하였다.

Figure 1: G-band images showing selected stages of pore and penumbra evolution in AR 10960. The orange contours indicate pore areas with $I_{\mathrm{c}}<0.5\times I^{\mathrm{QS}}_{\mathrm{c}}$ . The arrows point towards the disc centre (north is up and west is right as marked in f). A video showing

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전통적인 수직 자기장 값인 1.8 kG(B_ver^stable)가 펜듈라-투구 경계의 안정성을 유지하는 임계값으로 작용하는가?
• RQ2 펜듈라 침투 기간 동안 투구의 수직 자기장 강도가 B_ver^stable 이하로 유지될 경우 투구는 어떻게 되는가?
• RQ3 자기장 자속 이행을 통해 펜듈라가 형성되고 투구를 완전히 식민화함으로써 고립된 펜듈라가 생성될 수 있는가?
• RQ4 투구가 펜듈라로 전환되는 과정에서 자기장 구성이 어떻게 변화하는가. 특히 기울기와 자속 재분포 측면에서 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 투구의 최대 수직 자기장 강도는 1.4 kG로, 전통적인 B_ver^stable 값인 1.8 kG보다 현저히 낮아 안정된 투구-펜듈라 경계 형성이 불가능하였다.
• 펜듈라 빛나는 입자들이 지속적으로 투구로 돌진하면서 투구의 자기장 자속이 펜듈라 자속으로 전환되었으며, 펜듈라 자속은 투구의 최대 자속의 84%에 도달하였다.
• 투구는 펜듈라에 의해 완전히 점령되어 수평 자기장이 지배하는 고립된 펜듈라가 형성되었다.
• 펜듈라 내 자기장 선은 반대 극성의 투구와 연결되어 있지 않았으며, 이는 펜듈라의 고립성과 자가유지 특성을 확인하였다.
• 자기장 자속 감소나 신규 유입된 자속의 증거 없이 투구가 사라지는 과정가 관찰되어, 자기대류를 통한 자속 이행이 주요 메커니즘이었음을 시사하였다.
• 관측된 변화는 B_ver^stable 임계값이 펜듈라 경계의 안정성에 영향을 미치며, 이 값이 부족할 경우 저B_ver 영역이 펜듈라 대류에 의해 완전히 식민화될 수 있음을 지지한다.

Figure 2: Evolution of the pore area with $I_{\mathrm{c}}<0.5\times I^{\mathrm{QS}}_{\mathrm{c}}$ (black $+$ symbols). Blue $\triangle$ symbols connected by the dashed line show the total positive magnetic flux ( $\Phi$ ) in the pore. Red $\Box$ symbols connected by the dash-doted line show $\Phi$ i