[논문 리뷰] A persistent quiet-Sun small-scale tornado. II. Oscillations

Tziotziou, K., Tsiropoula, G.외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 12.

Meteorological Phenomena and Simulations인용 수 19

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 CRISP 관측을 통해 Hα 및 Ca ii 8542 Å 선을 통해 1.7시간 지속되는 조용한 태양의 소규모 토네이도 유사한 소용루에 대한 진동 동역학을 조사한다. 3–5분 진동이 두드러지게 나타나며, 피크는 4분에 발생한다. 200–220초의 진동 운동과 높이에 따라 증가하는 회전 주기(4분에서 Hα는 270초, Ca ii 8542 Å에서는 215초)를 보이며, 비강체 회전과 소멸파, 자기음파 및 알프레드 파동의 존재를 시사한다. 이는 중심 순환이 '중앙 엔진'으로 작용하는 자기적 지지 구조임을 나타낸다.

ABSTRACT

Recently, the characteristics, and dynamics of a persistent 1.7 h vortex flow, resembling a small-scale tornado, have been investigated with ground-base and space-based observations and for the first time in the Ha line centre. The vortex flow showed significant substructure in the form of several intermittent chromospheric swirls. We investigate the oscillatory behaviour of various physical parameters in the vortex area, with a 2D wavelet analysis performed within the vortex flow area and in a quiet-Sun region (for comparison), using the same high spatial and temporal resolution Ha and Ca II 8542 CRISP observations, as well as Doppler velocities and FWHM derived from the Ha line profiles. The vortex flow shows significant oscillatory power in the 3-5 min range that peaks around 4 min and behaves differently than the reference quiet-Sun region. Oscillations reflect the cumulative action of different components such as swaying motions, rotation, and waves. The derived swaying motion periods are in the range of 200-220 s, and the rotation periods are ~270 s for Ha and ~215 s for Ca II. Periods increase with atmospheric height and seem to decrease with radial distance from the vortex centre, suggesting a deviation from a rigid rotation. The behaviour of power within the vortex flow as a function of period and height implies the existence of evanescent waves and the excitation of different types of waves, such as magnetoacoustic (e.g. kink) or Alfven waves. The vortex flow seems to be dominated by two motions: a transverse (swaying) motion, and a rotational motion while oscillations point to the propagation of waves within it. Nearby fibril-like flows could play an important role in the rotational modulation of the vortex flow. Indirect evidence exists that the structure is magnetically supported while the central swirl seems to be acting as a "central engine" to the vortex flow.

연구 동기 및 목표

• . 소용루 흐름 내에서 물리적 매개변수의 진동 행동을 조사한다.
• . 진동 주기가 높이 및 소용루 중심으로부터의 반경 거리에 따라 어떻게 변화하는지 규명한다.
• . 소용루 내에서 자극된 파동의 성격, 특히 자기음파 및 알프레드 모드를 식별한다.
• . 소용루가 자기적 지지 구조인지, 중심 순환이 소용루 운동의 주요 원동력인가를 평가한다.
• . 이러한 장수명, 소규모 태양 소용루에서의 진동에 대한 첫 번째 종합적인 스펙트럼 분석을 제공한다.

제안 방법

• . Hα 및 Ca ii 8542 Å 선 프로파일에 대한 고공간-고시간 해상도 CRISP 관측 자료를 바탕으로 이중 차원 웨이블릿 분석을 수행한다.
• . Hα 선 프로파일에서 유도된 도플러 속도 및 반폭(전고점 반절 높이)을 분석하여 진동 신호를 추출한다.
• . 소용루 내부 및 기준 조용한 태양 영역에서 반경 방향 및 원형 절단선을 따라 스펙트럼 분석을 수행하여 비교한다.
• . 웨이블릿 파wer 스펙트럼을 사용하여 주요 진동 주기와 대기 높이에 따른 시공간적 변화를 규명한다.
• . 소용루 내 진동 전력과 조용한 태양 영역의 전력을 비교하여 소용루 고유의 동역학을 분리한다.
• . 진동 주기의 반경 및 높이 의존적 변화를 분석하여 회전 및 진동 운동을 추론한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . 소용루 흐름 내에서 주요 진동 주기는 무엇이며, 대기 높이 및 중심으로부터의 반경 거리에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 . 관측된 진동은 진동, 회전, 또는 파동 운동과 일치하는가? 그 특징적인 주기는 무엇인가?
• RQ3 . 소용루 내에서 자극된 파동의 유형(예: 자기음파 또는 알프레드 파)은 무엇이며, 그 존재를 뒷받침하는 증거는 무엇인가?
• RQ4 . 소용루 구조는 자기적 지지 구조인가? 중심 드라이버 또는 '중앙 엔진'의 증거는 있는가?
• RQ5 . 소용루 내 진동 특성은 주변 조용한 태양 영역과 어떻게 다를까?

주요 결과

• . 소용루 흐름은 3–5분 범위에서 뚜렷한 진동 전력과 함께 나타나며, 피크는 4분에 발생한다. 모든 대기 높이에서 10분까지 전력이 확장된다.
• . 진동 운동의 주기는 200–220초로, 소용루 구조 내의 횡방향 진동을 나타낸다.
• . 회전 주기는 Hα에서는 약 270초, Ca ii 8542 Å에서는 약 215초이며, 대기 높이에 따라 증가한다.
• . 진동 주기는 소용루 중심으로부터의 반경 거리가 멀어질수록 감소하며, 이는 강체 회전에서의 이탈을 나타내며, 준강체 또는 비등질적 회전을 시사한다.
• . 전력의 주기 및 높이 의존성 변화는 소멸파 행동을 시사하며, 파동의 갇힘 또는 반사가 소용루 구조 내에서 발생할 가능성을 나타낸다.
• . Hα 및 Ca ii 8542 Å 선 중심에서 전력 증가로 표시되는 중심 순환은 진동 스펙트럼을 지배하며, 소용루 흐름을 주도하는 '중앙 엔진'으로 작용할 가능성이 높다.