[논문 리뷰] Analysis and modeling of solar irradiance variations

K. L. Yeo|arXiv (Cornell University)|2014. 12. 12.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 201인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 1974~2013년 기간 동안 KPVT, SoHO/MDI, SDO/HMI의 자석도를 이용하여 총일광 및 스펙트럼일광일조량(TSI 및 SSI)을 고정밀도로 재구성한다. 자석도에서 자기장 특징의 일조량 기여도를 보정하고, 잔광과 빛의 산란과 같은 기기 효과를 보정함으로써, 여러 위성 관측과 일치하는 모델을 구축하여 태양활동주기 동안의 절대복사계량 및 스펙트럼 의존성에 대한 오랫동안 지속된 모순을 해결한다.

ABSTRACT

A prominent manifestation of the solar dynamo is the 11-year activity cycle, evident in indicators of solar activity, including solar irradiance. Although a relationship between solar activity and the brightness of the Sun had long been suspected, it was only directly observed after regular satellite measurements became available with the launch of Nimbus-7 in 1978. The measurement of solar irradiance from space is accompanied by the development of models aimed at describing the apparent variability by the intensity excess/deficit effected by magnetic structures in the photosphere. The more sophisticated models, termed semi-empirical, rely on the intensity spectra of photospheric magnetic structures generated with radiative transfer codes from semi-empirical model atmospheres. An established example of such models is SATIRE-S (Spectral And Total Irradiance REconstruction for the Satellite era). One key limitation of current semi-empirical models is the fact that the radiant properties of network and faculae are not adequately represented due to the use of plane-parallel model atmospheres (as opposed to three-dimensional model atmospheres). This thesis is the compilation of four publications, detailing the results of investigations aimed at setting the groundwork necessary for the eventual introduction of three-dimensional atmospheres into SATIRE-S and a review of the current state of the measurement and modelling of solar irradiance. Also presented is an update of the SATIRE-S model. We generated a daily reconstruction of total and spectral solar irradiance, covering 1974 to the present, that is more reliable and, in most cases, extended than similar reconstructions from contemporary models.

연구 동기 및 목표

• 위성 시대(1974–2013) 동안 고시간 해상도 및 고스펙트럼 해상도로 총일광 및 스펙트럼일광일조량(TSI 및 SSI)을 재구성하는 것.
• 위성 측정치와 모델 간의 절대복사계량, 장기적 변화, 스펙트럼 의존성에서 지속되는 모순을 해결하는 것.
• 보정된 자석도를 통합하고 잔광 및 점원형함수(PSF) 왜곡과 같은 기기 효과를 고려하여 태양일조량 재구성의 정확도를 향상시키는 것.
• SORCE, TIM 및 ISS 측정치를 포함한 다수의 독립적 관측과의 비교를 통해 모델을 검증하여 다양한 플랫폼 간 일관성을 확보하는 것.
• 기후 모델링 및 태양-지구물리학 연구에 활용할 수 있도록 공개 가능한 TSI 및 SSI 시간계열 데이터를 제공하는 것.

제안 방법

• 전체 디스크 자석도에서 유도된 광구 자기장 분포를 기반으로 태양일조량을 시뮬레이션하는 SATIRE-S 모델을 활용한다.
• KPVT, SoHO/MDI 및 SDO/HMI 자석도를 통합하기 위해 다중 기기 보정 기법을 적용하여 다양한 미션 간 일관된 입력 데이터를 확보한다.
• 월식 관측 및 가장 관측을 이용해 SDO/HMI 데이터의 점원형함수(PSF) 및 잔광 효과를 보정하여 이미지 정밀도를 향상시킨다.
• 관측된 TSI 및 SSI와의 일치도를 최적화하기 위해 SATIRE-S 모델에 자유 매개변수를 도입하고 위성 측정치에 기반해 校정한다.
• 데이터 갭 및 기기 드리프트를 포함한 불확실성의 양적 평가를 수행하여 재구성된 TSI 및 SSI의 오차를 분석한다.
• 특히 2012년 태양활동 최소기 동안의 SORCE, TIM 및 ISS 기반 기기의 독립적 관측과의 비교를 통해 모델을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 여러 태양활동주기 동안 광구 자석도로부터 TSI 및 SSI를 얼마나 정확하게 재구성할 수 있는가?
• RQ2 점원형함수(PSF) 및 잔광과 같은 기기 효과가 태양 표면 특징의 명백한 성질을 얼마나 왜곡시키며, 일조량 모델링에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 11년 주기 동안 패치와 sunspots가 총일광일조량 변화에 기여하는 상대적 기여도는 각각 얼마인가?
• RQ4 위성 측정치와 모델 간 절대복사계량 및 스펙트럼 의존성에서 발생하는 모순은 어떻게 유래되며, 이를 어떻게 조율할 수 있는가?
• RQ5 KPVT, MDI, HMI에서 수집한 다양한 기기의 자석도를 기반으로 한 통합 모델이 40년에 걸쳐 일관되고 신뢰할 수 있는 TSI 및 SSI 시간계열을 생성할 수 있는가?

주요 결과

• SATIRE-S 모델은 SORCE 및 TIM을 포함한 여러 위성 관측과 높은 일치도로 1974~2013년 동안 TSI 및 SSI를 성공적으로 재구성한다.
• 모델은 패치가 TSI에 정기여를 하며, sunspots는 부정기여를 함을 보여주며, 순기여로 11년 주기 동안 약 0.1%의 변동이 발생한다.
• SDO/HMI 데이터의 잔광 보정은 격자 및 자기장 특징의 대비 측정 정확도를 크게 향상시켜 체계적 편향을 감소시킨다.
• 재구성된 SSI는 특히 자외선 및 가시광선 영역에서 ISS 및 기타 기기의 관측과 양호한 일치를 보인다.
• 특히 2008–2010년 태양활동 최소기 동안 이전 모델이 일조량 수준을 과소평가한 바, 본 모델은 장기적 변화 및 스펙트럼 의존성의 모순을 해결한다.
• 최종 TSI 및 SSI 시간계열은 기후 및 우주 날씨 모델링에 활용할 수 있도록 www.mps.mpg.de/projects/sun-climate/data.html 에 공개되어 있다.