[논문 리뷰] Time series of high resolution photospheric spectra in a quiet region of the Sun. II. Analysis of the variation of physical quantities of granular structures

K. G. Puschmann, B. Ruiz Cobo외 3명|arXiv (Cornell University)|2012. 05. 08.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 23인용 수 33

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 시간시계 스펙트로그램을 이용해 고요한 태양 지역의 수직 구조를 분석하여 태양의 대기층에서의 열역학적 및 속도 구조의 수직 분포를 도출한다. 관측된 선형 프로파일에 대한 역전환 기법을 사용하여, 온도 변동은 고도에 따라 급격히 감소하며, log τ ≈ −1에서 공명성이 상실되는 것으로 밝혀졌고, 대류 속도는 특히 큰 태양대류세포에서 더 깊이 침습함을 확인하여 광학적 밀도 역전면을 초월한 상당한 오버슈트의 관측적 증거를 제공한다.

ABSTRACT

From the inversion of a time series of high resolution slit spectrograms obtained from the quiet sun, the spatial and temporal distribution of the thermodynamical quantities and the vertical flow velocity is derived as a function of logarithmic optical depth and geometrical height. Spatial coherence and phase shift analyzes between temperature and vertical velocity depict the height variation of these physical quantities for structures of different size. An average granular cell model is presented, showing the granule-intergranular lane stratification of temperature, vertical velocity, gas pressure and density as a function of logarithmic optical depth and geometrical height. Studies of a specific small and a specific large granular cell complement these results. A strong decay of the temperature fluctuations with increasing height together with a less efficient penetration of smaller cells is revealed. The T -T coherence at all granular scales is broken already at log tau =-1 or z~170 km. At the layers beyond, an inversion of the temperature contrast is revealed. Vertical velocities are in phase throughout the photosphere and penetrate into the highest layers under study.

연구 동기 및 목표

• 태양 광학층 내 태양대류세포의 공간적·시간적 변화를 고려하여 온도, 속도, 압력, 밀도 등의 물리량을 분석한다.
• 시간적 연속 스펙트로스코픽 데이터를 이용해 대류 에너지 이동 및 난류 성질이 고도 및 대류세포 규모에 따라 어떻게 변화하는지 조사한다.
• 관측된 속도 및 온도 변동을 시뮬레이션 예측과 비교하여 수치적 대류 시뮬레이션의 타당성을 검증한다.
• H⁻ 투과도가 다양한 광학적 깊이 및 기하적 고도에서 온도 대비 대비 및 변동을 어떻게 결정하는지 조사한다.

제안 방법

• 관측된 선형 스펙트로그램에 SIR(응답함수 기반 스코우스 역전환) 코드를 사용하여 광학적 깊이(log τ) 및 기하적 고도(z)에 따른 대기 파rameter를 유도한다.
• 온도 및 수직 속도 간의 공간적 공명성 및 위상 이동 분석을 통해 고도에 따른 대류 구조의 전파 및 감쇠 특성을 평가한다.
• 태양광학층 전반의 온도, 수직 속도, 기체 압력 및 밀도의 분포를 나타내기 위해 평균 대류세포 모델을 구축한다.
• 특정 큰 및 작은 대류세포를 비교하여 대류 속도 및 온도 변동의 척도 의존적 행동을 연구한다.
• 공통된 기하적 고도 그리드를 사용하여 물리량 간의 수평적 비교를 가능하게 하지만, 수직 평형 가정으로 인해 인위적인 압력 차이가 발생할 수 있음을 고려한다.
• Stein & Nordlund(1998)의 수치 시뮬레이션 결과와 비교하여 결과의 타당성을 검증하며, 특히 속도 진폭 및 수직 프로파일 형태에 초점을 맞춘다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 크기의 대류세포에서 온도 및 수직 속도 변동은 고도(log τ 및 z)에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 대류 속도는 광학층 상부로 얼마나 깊이 침투하는가? 이는 대류세포 척도에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 동일한 광학적 깊이와 동일한 기하적 고도에서 H⁻ 투과도는 온도 변동의 진폭 및 수직 분포에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 왜 큰 대류세포에서 더 높은 층에서 온도 대비 대비의 역전(역전) 현상이 관측되는가?
• RQ5 관측된 속도 및 온도 프로파일은 3차원 복사유체역학 시뮬레이션 예측과 얼마나 잘 일치하는가? 특히 속도 극대치의 상대적 크기 및 수직 위치에 대해 검토한다.

주요 결과

• 온도 변동은 고도에 따라 급격히 감쇠되며, log τ ≈ −1 또는 z ≈ 170 km에서 공명성이 상실되며, 이 수준에서 ΔT의 최소값이 관측된다.
• 1.5″보다 큰 대류세포에서는 log τ ≈ −1를 초월해 온도 대비 대비의 역전 현상이 관측되며, 이는 고위층에서 더 차가운 대류세포와 더 뜨거운 간섭층이 존재함을 시사한다.
• 동일한 광학적 깊이(log τ = 0.2)에서 온도 변동은 H⁻ 투과도 민감도로 인해 오직 ΔT ≈ 400 K에 불과하지만, 동일한 기하적 고도(z = −40 km)에서는 ΔT가 1400 K에 도달하여 투과도 효과를 확인한다.
• 수직 속도 변동은 온도보다 고도에 따라 더 느리게 감쇠되며, 1.4″ 이상의 구조는 z ≈ 370 km(log τ ≈ −2.8)에서도 여전히 감지 가능하여 깊은 침투를 시사한다.
• 최대 수직 속도 변동(ΔVz)은 깊은 광학층에서 1.4 km s⁻¹에 도달하며, 대류세포의 속도는 간섭층보다 더 높은 층에서 극대에 도달하며, Stein & Nordlund(1998)의 시뮬레이션 결과와 일치한다.
• 속도 및 온도 구조의 척도 의존적 고도 분포가 유사함을 고려할 때, 이는 대류 운동이 광학층 내 밀도 역전면을 초월해 상당한 오버슈트를 겪고 있음을 강력한 관측적 증거로 제공한다.