[논문 리뷰] Solar meridional circulation from twenty-one years of SOHO/MDI and SDO/HMI observations: Helioseismic travel times and forward modeling in the ray approximation

Zhi Chao Liang, L. Gizon외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 27.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 61인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 21년간의 SOHO/MDI 및 SDO/HMI 헬리오세이즘 데이터를 시간-거리 방법과 레이 기반 정방향 모델링을 사용하여 융합하여 표면 이하 태양 순환 흐름을 측정한다. 태양활동 23기와 24기 동안 남반구에서 일관된 단일 세포 패턴을 발견하였으며, 뚜렷한 북남 대칭성 부족과 국소적 유입 흐름의 증거로 인해 깊은 흐름 해석이 복잡해지고 있음을 밝혔다.

ABSTRACT

The south-north travel-time differences are measured by applying time-distance helioseismology to the MDI and HMI medium-degree Dopplergrams covering May 1996-April 2017. Our data analysis corrects for several sources of systematic effects: P-angle error, surface magnetic field effects, and center-to-limb variations. An interpretation of the travel-time measurements is obtained using a forward-modeling approach in the ray approximation. The travel-time differences are similar in the southern hemisphere for cycles 23 and 24. However, they differ in the northern hemisphere between cycles 23 and 24. Except for cycle 24's northern hemisphere, the measurements favor a single-cell meridional circulation model where the poleward flows persist down to $\sim$0.8 $R_\odot$, accompanied by local inflows toward the activity belts in the near-surface layers. Cycle 24's northern hemisphere is anomalous: travel-time differences are significantly smaller when travel distances are greater than 20$^\circ$. This asymmetry between northern and southern hemispheres during cycle 24 was not present in previous measurements (e.g., Rajaguru & Antia 2015), which assumed a different P-angle error correction where south-north travel-time differences are shifted to zero at the equator for all travel distances. In our measurements, the travel-time differences at the equator are zero for travel distances less than $\sim$30$^\circ$, but they do not vanish for larger travel distances. This equatorial offset for large travel distances need not be interpreted as a deep cross-equator flow; it could be due to the presence of asymmetrical local flows at the surface near the end points of the acoustic ray paths.

연구 동기 및 목표

• 장기적이고 융합된 MDI 및 HMI 데이터를 사용하여 태양 순환 흐름의 헬리오세이즘 측정 정확도를 향상시키기 위해.
• P-각 오차, 표면 자기장 영향, 중심에서 가장자리로의 변화 등 체계적 영향을 보정하기 위해.
• 정방향 모델링을 레이 근사법으로 사용하여 측정된 전파 시간 이동을 표면 이하 흐름 구조의 징후로 해석하기 위해.
• 태양활동 23기와 24기 동안 순환 흐름의 시간적 변화와 비대칭성을 조사하기 위해.
• 근표면 국소적 유입 흐름이 전역 순환 흐름 신호의 해석에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• SOHO/MDI(1996–2003)와 SDO/HMI(2010–2017)의 중간 차수 도플러그램에 시간-거리 헬리오세이즘을 적용하여, 1996년 5월부터 2017년 4월까지의 데이터를 다룸.
• 데이터 겹침 기간 동안 MDI와의 상관관계를 활용하여 HMI의 금성/수성 transit 기반 캘리브레이션을 사용해 P-각 오차를 보정함.
• 중심에서 가장자리로의 변화를 동서 전파 시간 차이를 기반으로 추정하여 보정하였으며, MDI와 HMI에 대해 별도의 보정을 적용함.
• 측정된 전파 시간 이동을 표면 이하 흐름의 징후로 해석하기 위해 레이 근사법을 사용한 정방향 모델링 접근법을 사용함.
• 노이즈를 줄이고 대규모 순환 패턴을 분리하기 위해 전파 시간 이동의 장기 평균을 수행함.
• Carrington 회전축의 기울어짐과 레이 근사법에서의 유한 파장 효과 등 체계적 불확실성 평가

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표면 이하 순환 흐름은 태양활동 23기와 24기 동안 어떻게 변화하는가? 특히 반구 간 대칭성 측면에서 어떻게 되는가?
• RQ2 근표면 국소적 유입 흐름이 활성 지역으로 향할 경우, 깊은 순환 흐름 신호를 어떻게 모방하거나 가리키는가?
• RQ3 P-각 오차 및 중심에서 가장자리로의 변화와 같은 체계적 요소들이 헬리오세이즘 흐름 측정 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 레이 근사법은 장거리 헬리오세이즘 측정에서 전파 시간 이동을 신뢰성 있게 모델링할 수 있는가? 아니면 유한 파장 효과가 뚜렷한가?
• RQ5 표면 자기장은 전파 시간 이동에 어떤 영향을 미치며, 이는 순환 흐름 구조의 해석에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 20°–35° 위도 범위에서, 남반구의 전파 시간 차이는 태양활동 23기와 24기 동안 유사하여 안정적인 단일 세포 순환 패턴을 나타냄.
• 북반구에서는 태양활동 23기와 24기 동안 전파 시간 차이가 유의미하게 다름으로써, 순환 흐름의 북남 비대칭성을 시사함.
• 대부분의 지역에서 단일 세포 순환 흐름 모델이 유리하지만, 특히 태양활동 24기 동안 북반구에서는 복잡한 흐름 역학을 시사하는 편차가 있음.
• 활성 지역으로 향하는 국소적 유입 흐름은 위도와 전파 거리에 따라 번갈아가며 시간 이동 패tern을 생성하며, 이로 인해 측정된 전파 시간에서 태양활동 주기적 변화가 나타남.
• 근표면 유입 흐름의 고정 깊이가 이 연구에서 사용된 거리 범위 내에서 전파 시간 이동에 민감하지 않음으로써, 현재 데이터와 방법으로는 더 깊은 흐름 구조를 해석할 수 없음을 시사함.
• Carrington 회전축 기울어짐으로 인한 체계적 불확실성은 2003년 중반 이후 B₀ 각도가 작은 MDI 데이터를 제외함으로써 최소화되었으며, 레이 근사법 오차는 짧은 거리에서 0.01–0.03초로 추정됨.