[논문 리뷰] Analysis of full disc Ca II K spectroheliograms III. Plage area composite series covering 1892-2019

Theodosios Chatzistergos, I. Ermolli외 17명|DIGITAL.CSIC (Spanish National Research Council (CSIC))|2020. 05. 04.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 55인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 1892년에서 2019년까지의 태양 플라즈마 영역에 대한 가장 포괄적인 복합 시계열을 제시한다. 이는 43개 데이터셋에서 유래한 290,000장 이상의 전체 디스크 Ca II K 스펙트로헬리오그램을 바탕으로 하며, 일관된 광도 보정, 가장자리 어두움 보정 및 아티팩트 제거(특히 현지 특성에 기인한 밝은 화살표와 같은 문제)를 통해 보정된, 상호 검증된 복합 시리즈를 생성한다. 이는 1892년 이래로 88%의 일일 커버리지와 1907년 이후로는 98%의 커버리지로 제공되며, 태양의 코로나 자기 활동에 대한 신뢰할 수 있는 장기 분석을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We derive the plage area evolution over the last 12 solar cycles employing data from all Ca II K archives available publicly in digital form known to us, including several as yet unexplored Ca II K archives. We analyse more than 290,000 full-disc Ca II K observations from 43 datasets spanning the period 1892-2019. All images were consistently processed with an automatic procedure that performs the photometric calibration (if needed) and the limb-darkening compensation. The processing also accounts for artefacts plaguing many of the images, including some very specific artefacts such as bright arcs found in Kyoto and Yerkes data. We have produced a plage area time-series from each analysed dataset. We found that the differences between the plage areas derived from individual archives are mainly due to the differences in the central wavelength and the bandpass used to acquire the data at the various sites. We have empirically cross-calibrated and combined the results obtained from each dataset to produce a composite series of plage areas. "Backbone" series are used to bridge all the series together. We have also shown that the selection of the backbone series has little effect on the final plage area composite. We have quantified the uncertainty of determining the plage areas with our processing due to shifts in the central wavelength and found it to be less than 0.01 in fraction of the solar disc for the average conditions found on historical data. We also found the variable seeing conditions during the observations to slightly increase the plage areas during activity maxima. We provide the so far most complete time series of plage areas based on corrected and calibrated historical and modern Ca II K images. Consistent plage areas are now available on 88% of all days from 1892 onwards and on 98% from 1907 onwards.

연구 동기 및 목표

• 역사적이고 현대적인 전체 디스크 Ca II K 스펙트로헬리오그램을 이용해 장기적이고 일관된 플라즈마 영역 시계열을 재구성하는 것.
• 관측소 간 중심 파장, 대역폭 및 기구적 아티팩트의 차이로 인해 발생하는 플라즈마 영역 측정의 이질성 문제를 해결하는 것.
• 12개의 태양 활동 사이클 동안 태양의 코로나 자기 활동을 연구하기 위해 고시간 해상도를 확보한 통합된 보정된 복합 데이터셋을 제작하는 것.
• 파장 이동과 변동하는 시야 조건으로 인한 플라즈마 영역 측정의 불확실성 정도를 정량화하는 것.
• 미래에 새로 스캔된 역사적 자료들을 복합 시리즈에 갱신하고 통합할 수 있도록 하는 것.

제안 방법

• 43개 데이터셋의 290,000장 이상의 전체 디스크 Ca II K 이미지를 일관된 자동화된 파이프라인을 사용해 광도 보정 및 가장자리 어두움 보정 처리하는 것.
• 기구적 특성에 기반해 특정 문제(예: 교토 및 예르케스 데이터의 밝은 화살표)에 맞는 아티팩트 보정 기법을 적용하는 것.
• 다른 관측소의 데이터를 교차 보정하고 통합하기 위해 '백본' 시리즈를 활용하여 복합체 전반의 일관성을 확보하는 것.
• 중앙 파장 이동에 의한 불확실성의 경험적 평가를 통해 평균 역사적 조건 하에서 분수적 디스크 면적 기준 0.01 이하임을 확인하는 것.
• 변동하는 시야 조건이 관측 중 플라즈마 영역을 약간 과대평가할 수 있음을 고려하는 것. 특히 태양 활동 최고점 기간에 더욱 두드러진다.
• 불연속성과 현지 특성에 기인한 변동성을 처리하기 위해 데이터 시리즈를 분할하고 독립적으로 보정하는 모듈러한 접근 방식을 사용하는 것.

Figure 1: Examples of observations from the various archives analysed in this study, except from MM and Sc. With the exception of the images in the first and last column, the images within each column correspond to roughly the same day. Within a column the images are shown in alphabetical order acco

실험 결과

연구 질문

• RQ1 서로 다른 Ca II K 스펙트로헬리오그램 아카이브를 어떻게 일관되게 보정하고 하나의 통합된 복합 플라즈마 영역 시계열로 통합할 수 있는가?
• RQ2 역사적 플라즈마 영역 측정에서 지배적인 체계적 오차의 원인은 무엇이며, 이를 정량화하고 최소화할 수 있는가?
• RQ3 다른 관측소 간 중심 파장과 대역폭의 차이가 유도하는 플라즈마 영역에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 관측 중 변동하는 대기 시야 조건이 플라즈마 영역 측정에 미치는 영향은 무엇이며, 특히 태양 활동 최고점 기간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 125년 이상에 걸친 복합 플라즈마 영역 시리즈의 시간 해상도와 신뢰성은 어느 정도인가?

주요 결과

• 저자들은 1892년부터 88%의 일일 커버리지, 1907년 이후로는 98%의 커버리지로, 이전 노력에 비해 크게 향상된 복합 플라즈마 영역 시계열을 제작하였다.
• 교차 보정에 사용된 백본 시리즈 선택이 최종 복합체에 미치는 영향이 미미하여, 이 방법의 강건성을 입증한다.
• 일반적인 역사적 조건 하에서 중심 파장 이동으로 인한 플라즈마 영역 결정의 불확실성은 분수적 디스크 면적 기준 0.01 이하이다.
• 관측 중 변동하는 시야 조건은 특히 태양 활동 최고점 기간에 플라즈마 영역을 약간 과대평가하는 결과를 낳는다.
• 교토 및 예르케스 데이터의 현지 특성에 기인한 아티팩트(예: 밝은 화살표)를 성공적으로 보정하여 데이터 일관성을 향상시켰다.
• 복합 데이터셋은 향후 새로 스캔된 아카이브의 갱신과 통합을 고려하여 설계되어, 태양 변동성 연구에 장기적으로 유용할 수 있도록 하였다.

Figure 2: Annual coverage of the various Ca II K archives analysed in this study, except from those taken off-band (see Sect. 2 for details). Also shown is the annual coverage of all the archives combined, the one for the Chatzistergos et al. ( 2019b , paper 2) composite series, and the annual cover