[논문 리뷰] Magnetic properties of a long-lived sunspot - Vertical magnetic field at the umbral boundary

Markus Schmassmann, R. Schlichenmaier외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 22.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 20인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 SDO/HMI 자료를 사용하여 장수한 sunspot(НОАА AR 11591)의 우물 가장자리에서 수직 자기장($B_{\text{ver}}$)의 시간적 안정성을 조사한다. $I_c = 0.5I_{\text{qs}}$ 윤곽선을 따라 평균화된 $B_{\text{ver}}$가 10일 동안 거의 일정한 1693 G를 유지함을 확인하여, 우물 가장자리가 연속성 강도 또는 수직 자기장 강도 중 어느 것으로 정의하든 동일하게 간주될 수 있음을 지지하는 Jurčák 기준을 뒷받침한다. 형성 높이 보정이 윤곽선 일치도 향상시킨다.

ABSTRACT

Context. In a recent statistical study of sunspots in 79 active regions, the vertical magnetic field component $B_ ext{ver}$ averaged along the umbral boundary is found to be independent of sunspot size. The authors of that study conclude that the absolute value of $B_ ext{ver}$ at the umbral boundary is the same for all spots. Aims. We investigate the temporal evolution of $B_ ext{ver}$ averaged along the umbral boundary of one long-lived sunspot during its stable phase. Methods. We analysed data from the HMI instrument on-board SDO. Contours of continuum intensity at $I_ ext{c}=0.5I_ ext{qs}$, whereby $I_ ext{qs}$ refers to the average over the quiet sun areas, are used to extract the magnetic field along the umbral boundary. Projection effects due to different formation heights of the Fe I 617.3 nm line and continuum are taken into account. To avoid limb artefacts, the spot is only analysed for heliocentric angles smaller than $60^{\circ}$. Results. During the first disc passage, NOAA AR 11591, $B_ ext{ver}$ remains constant at 1693 G with a root-mean-square deviation of 15 G, whereas the magnetic field strength varies substantially (mean 2171 G, rms of 48 G) and shows a long term variation. Compensating for formation height has little influence on the mean value along each contour, but reduces the variations along the contour when away from disc centre, yielding a better match between the contours of $B_ ext{ver}=1693$ G and $I_ ext{c}=0.5I_ ext{qs}$. Conclusions. During the disc passage of a stable sunspot, its umbral boundary can equivalently be defined by using the continuum intensity $I_ ext{c}$ or the vertical magnetic field component $B_ ext{ver}$. Contours of fixed magnetic field strength fail to outline the umbral boundary.

연구 동기 및 목표

• 장수한 태양흑점의 안정 단계 동안 수직 자기장 성분($B_{\text{ver}}$)이 우물 가장자리에서 시간에 따라 일정한지 테스트하는 것.
• $I_c = 0.5I_{\text{qs}}$ 윤곽선(연속성 강도)과 $B_{\text{ver}}$ 윤곽선이 우물 가장자리를 동일하게 정의할 수 있는지 평가하는 것.
• Fe I 617.3 nm 선과 연속성의 형성 높이가 다를 경우 발생하는 투영 효과가 $B_{\text{ver}}$ 측정치에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 모든 태양흑점에서 $|B_{\text{ver}}|$ 가 일정하며 우물 가장자리를 정의한다는 Jurčák 기준을 검증하는 것.

제안 방법

• 태양면에 첫 번째로 들어온 후 10일 간의 1063개의 SDO/HMI 데이터 세트(12분 간격)를 분석하였으며, 가장자리 효과를 피하기 위해 태양중심 각도가 60° 이하인 영역으로 제한하였다.
• 자기장 분석을 위한 우물 가장자리 정의를 위해 $I_{\text{qs}}$ (조용한 태양 영역의 강도) 기반 $I_c = 0.5I_{\text{qs}}$ 윤곽선을 사용하였다.
• 스펙트럼 선과 연속성의 형성 높이가 다름을 보정하기 위해 $\Delta h = 465$ km의 높이 보정을 적용하여 투영 정확도를 향상시켰다.
• 시간 평균 $B_{\text{ver}}$ 를 $I_c = 0.5I_{\text{qs}}$ 윤곽선을 따라 계산하였으며, 시간적 안정성을 정량화하기 위해 근사 제곱 평균 편차($\sigma_t$)를 산정하였다.
• 거리 척도($\left<d\right>_{\psi,t}$)를 사용하여 $B_{\text{ver}}$ 및 $I_c$ 윤곽선 간의 통계적 비교를 수행하여 최적의 일치 수준을 찾았다.
• 로그(면적)에서 다항식 모델 대비 일정한 $|B_{\text{ver}}|$ 모델이 데이터에 더 잘 맞는지 평가하기 위해 베이지안 선형 회귀를 적용하였다.

Figure 1: Mean magnetic field strength $\left<|B|\right>_{\psi}(t)$ in black (it’s vertical component $\left<B_{\text{ver}}\right>_{\psi}(t)$ in blue) along the $I_{\text{c}}=0.5I_{\text{qs}}$ contour, with $\Delta h=465\,\text{km}$ accounted for, Sinusodial fits and the residuals for NOAA AR 11591.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 안정된 태양흑점의 우물 가장자리에서 수직 자기장 성분 $B_{\text{ver}}$ 는 시간에 따라 일정한가?
• RQ2 우물 가장자리는 $I_c = 0.5I_{\text{qs}}$ 또는 고정된 $B_{\text{ver}}$ 값으로 동일하게 정의될 수 있는가?
• RQ3 Fe I 617.3 nm 선과 연속성의 형성 높이가 다를 경우 발생하는 투영 효과는 우물 가장자리에서 측정된 $B_{\text{ver}}$ 에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 관측된 $B_{\text{ver}}$ 의 일정성은 다양한 태양흑점에서 우물 가장자리를 정의하는 데 있어 Jurčák 기준을 지지하는가?

주요 결과

• 시간 평균 $B_{\text{ver}}$ 는 $I_c = 0.5I_{\text{qs}}$ 윤곽선을 따라 10일 동안 1693 G로 거의 일정하며, 근사 제곱 평균 편차는 뿐만 아니라 15 G에 불과하다.
• $I_c$ 와 $B_{\text{ver}}$ 윤곽선 간 최적의 일치는 $I_c = 0.53I_{\text{qs}}$ 와 $|B_{\text{ver}}| = 1639$ G에서 발생하며, 이는 $I_c = 0.5I_{\text{qs}}$ 가 우물 가장자리 정의에 거의 최적임을 확인한다.
• 형성 높이 보정($\Delta h = 0$)을 생략할 경우, 윤곽선을 따라 $B_{\text{ver}}$ 의 변동성이 30% 이상 증가하여 $I_c$ 와 $B_{\text{ver}}$ 윤곽선 간 일치도가 악화된다.
• 이 연구는 $B_{\text{ver}}$ 가 우물 가장자리에 따라 시간에 따라 안정되어 있음을 확인하였으며, 이는 $|B_{\text{ver}}|$ 가 안정된 태양흑점의 모든 곳에서 일정하며 가장자리를 정의하는 데 유용하다는 Jurčák 기준을 지지한다.
• 관측된 $B_{\text{ver}}$ 값 1693 G 는 Jurčák 등(2018)의 통계적 값 1867 G 와 일치하며, 기기 해상도와 충점율 영향으로 인한 차이로 기인한다.
• 고정된 $B_{\text{ver}}$ 강도 윤곽선은 우물 가장자리를 올바르게 묘사하지 못하는 반면, $I_c = 0.5I_{\text{qs}}$ 와 $B_{\text{ver}} = 1693$ G 윤곽선은 매우 유사하게 일치하여 상호 등가성을 확인한다.

Figure 2: As Fig. 1 , but from contours at $I_{\text{c}}=0.4I_{\text{qs}}$ .