[논문 리뷰] Three Cycles of the Solar Toroidal Magnetic Field and This Peculiar Minimum

Leyan Lo, J. T. Hoeksema외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 03. 21.

Solar and Space Plasma Dynamics인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 34년간의 WSO 및 13년간의 SOHO/MDI 자석도를 분석하여 태양의 수평 자기장 기울기 각도를 추적하였으며, Cycle 24가 2003–2004년에 고위도 북반구에서 시작된 것으로 밝혀졌다. 현재의 최소기 동안 극지역 자기장이 매우 약했음에도 불구하고, 수평 자기장의 변화 양상은 이전 주기들과 유사하게 나타나, 수평 자기장 행동과 다음 최소기의 지속 기간이나 강도 사이에 명백한 연관성이 없음을 시사한다.

ABSTRACT

Thirty-four years of WSO (Wilcox Solar Observatory) and thirteen years of SOHO/MDI (Michelson Doppler Imager on the Solar and Heliospheric Observatory) magnetograms have been studied to measure the east-west inclination angle, indicating the toroidal component of the photospheric magnetic field. This analysis reveals that the large-scale toroidal component of the global magnetic field is antisymmetric around the equator and reverses direction in regions associated with flux from one solar cycle compared to the next. The toroidal field revealed the first early signs of cycle 24 at high latitudes, especially in the northern hemisphere, appearing as far back as 2003 in the WSO data and 2004 in MDI. As in previous cycles, the feature moves gradually equatorward. Cycles overlap and the pattern associated with each cycle lasts about 17 years. Even though the polar field at the current solar minimum is significantly lower than the three previous minima, the toroidal field pattern is similar.

연구 동기 및 목표

• 태양활동주기 24의 이례적인 최소기 동안 수평 자기장이 이례적인 행동을 보였는지 조사하기 위해
• Cycle 24의 수평 자기장 패턴이 최소기 동안 관측된 이례적으로 약한 극지역 자기장과 관련이 있는지 확인하기 위해
• 선형 시선 자석도에서 유도된 수평 자기장 기울기 각도가 기초적인 다이너모 과정을 신뢰성 있게 반영하는지 평가하기 위해
• WSO와 SOHO/MDI 데이터를 비교하여 일관성을 평가하고, 특히 MDI 데이터에서의 장비 오염을 식별하기 위해
• 수평 자기장의 적도 방향 이동 과정과 22년 자기주기 사이의 관계를 조사하기 위해

제안 방법

• 모든 카링턴 주기 동안 태양 표면 전체에서 선형 시선 자기장 데이터(B_l)를 사용하여 광학적 자기장의 동서 기울기 각도 α를 측정하였다.
• Shrauner & Scherrer(1994)에서 유도된 최소 제곱법 공식을 적용하여 B_l(θ) = A cos(θ + α)에 대한 삼각함수 적합을 수행하여 평균 기울기 각도 α를 유도하였다.
• 양성 및 음성 자기극성에 대해 별도의 기울기 지도를 생성한 후, 그 차이를 계산하여 수평 자기장의 동서 성분을 분리하였다.
• 경도에 따라 기울기 차이 지도를 평균화하여 양반구의 위도-시간 플롯(등고선 및 선형 플롯)을 생성하였다.
• WSO(1977–2009) 및 MDI(1997–2009) 데이터를 사용하여 세 개의 태양활동주기 동안 수평 자기장 특징의 출현 및 적도 방향 이동을 추적하였다.
• MDI 데이터의 잠재적 오염을 해결하기 위해 WSO 데이터와 비교하고, 2003년 이후 SOHO 위성의 자세 조정으로 인한 주기적 노이즈를 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양활동주기 24의 이례적인 최소기 동안 수평 자기장이 이례적인 행동을 보였는가?
• RQ2 Cycle 24의 수평 자기장 패턴이 표면 자석도에서 처음으로 나타난 것은 언제인가?
• RQ3 Cycle 24의 수평 자기장 기울기 각도 변화가 이전 두 주기와 비교하여 어떻게 다른가?
• RQ4 MDI 데이터의 장비 오염이 수평 자기장 기울기 측정에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ5 관측된 수평 자기장 패턴이 22년 주기와 적도를 중심으로 반대 방향으로 자기장 전환이 일어나는 태양 다이너모 모델과 일치하는가?

주요 결과

• WSO 데이터에 따르면, Cycle 24와 관련된 수평 자기장은 2003년에 고위도 북반구에서 처음으로 나타났고, MDI 데이터에선 2004년에 확인되었다.
• Cycle 24의 적도 방향 이동은 이전 두 주기와 동일한 17년의 지속 기간을 보였으며, 최소기 기간이 연장되었음에도 불구하고 그러한 패턴을 유지하였다.
• 기울기 차이 지도 분석 결과, 수평 자기장은 적도를 중심으로 반사 대칭이며, 연속된 태양활동주기 사이에서 방향이 전환됨을 확인하였다.
• 2007년 평균 기울기 차이의 부호 전환이 Cycle 24의 시작을 알렸으며, 이는 양반구의 약한 자기장 영역에서의 자기장 전환과 일치하였다.
• 현재 최소기 동안 극지역 자기장이 이전 세 차례 최소기보다 현저히 약했음에도 불구하고, 최소기 이전의 수평 자기장 패턴은 이전 주기들과 구분되지 않았다.
• MDI 데이터는 WSO와 유사한 전반적인 패턴을 보였지만, 2003년 이후 SOHO 위성의 자세 조정으로 인한 주기적 노이즈가 나타나, 고해상도 수평 자기장 측정에 대한 캘리브레이션 과제가 있음을 시사하였다.