[論文レビュー] Analysis of full disc Ca II K spectroheliograms. II. Towards an accurate assessment of long-term variations in plage areas

Theodosios Chatzistergos, I. Ermolli+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2019

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 59被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、8か所の天文台から得られた10万枚を超える歴史的および現代的Ca II Kスぺクトロヘルログラムを用いて、1893年から2018年までの長期にわたる plage 面積変動の最初の複合的再構築を提示する。一貫した光度校正および中心から縁への変化補正を適用することで、系統的誤差を低減し、統一された plage 面積系列を導出し、アーカイブ間で顕著な機器的および処理上の不一致が存在することを明らかにした。この不一致は、正確な長期にわたる太陽活動再構築のための相互校正を必要としている。

ABSTRACT

Reconstructions of past irradiance variations require suitable data on solar activity. The longest direct proxy is the sunspot number, and it has been most widely employed for this purpose. These data, however, only provide information on the surface magnetic field emerging in sunspots, while a suitable proxy of the evolution of the bright magnetic features, specifically faculae/plage and network, is missing. This information can potentially be extracted from the historical full-disc observations in the Ca II K line. We have analysed over 100,000 historical images from 8 digitised photographic archives of the Arcetri, Kodaikanal, McMath-Hulbert, Meudon, Mitaka, Mt Wilson, Schauinsland, and Wendelstein observatories, as well as one archive of modern observations from the Rome/PSPT. The analysed data cover the period 1893--2018. We first performed careful photometric calibration and compensation for the centre-to-limb variation, and then segmented the images to identify plage regions. This has been consistently applied to both historical and modern observations. The plage series derived from different archives are generally in good agreement with each other. However, there are also clear deviations that most likely hint at intrinsic differences in the data and their digitisation. We showed that accurate image processing significantly reduces errors in the plage area estimates. Accurate photometric calibration also allows precise plage identification on images from different archives without the need to arbitrarily adjust the segmentation parameters. Finally, by comparing the plage area series from the various records, we found the conversion laws between them. This allowed us to produce a preliminary composite of the plage areas obtained from all the datasets studied here. This is a first step towards an accurate assessment of the long-term variation of plage regions.

研究の動機と目的

• 歴史的Ca II Kスぺクトロヘルログラムを用いて、太陽放射の変動を再構築するために不可欠な、一貫性のある長期にわたる plage 面積記録の作成。
• 複数のアーカイブにわたる機器の違い、観測手順、デジタル化手法に起因する系統的誤差を特定・是正すること。
• 画像処理およびセグメンテーションの標準化により、多様な歴史的データセット間での plage 面積推定値の正確な比較を可能にすること。
• 異なるアーカイブ記録間の変換法則を導出することで、予備的な複合 plage 面積系列を作成し、長期にわたる太陽活動再構築の信頼性を向上させること。

提案手法

• 1893年から2018年をカバーする、8つの歴史的アーカイブ（Arcetri, Kodaikanal, McMath-Hulbert, Meudon, Mitaka, Mt Wilson, Schauinsland, Wendelstein）および1つの現代アーカイブ（Rome/PSPT）から、10万枚を超えるフルディスクCa II K画像を取得・処理。
• 静穏太陽の強度変動を物理的に裏付けたモデルを用いて、光度校正および中心から縁への変化（CLV）補正を実施し、画像の背景レベルを標準化。
• すべてのアーカイブにわたる plage 稜域の同定に一貫した画像セグメンテーションアルゴリズムを適用し、各データセットごとに任意のパrameter調整を回避。
• 校正の質が plage 面積推定値に与える影響を評価し、絶対的光度校正よりも背景推定の正確さがより重要であることを示した。
• 最も安定した記録（Kodaikanal および Mt Wilson）を基準として、異なるアーカイブ記録間の変換法則を確立し、データセット間の整合化を可能にした。
• Kodaikanal を基準にした複合系列と、Mt Wilson を基準にした複合系列のそれぞれから得られた2つの複合系列の平均値を用いて、予備的な複合 plage 面積系列を生成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 機器の違い、観測手順、デジタル化手法の違いが、歴史的Ca II K画像における plage 面積測定にどのように影響を及えるか？
• RQ2 画像品質や処理履歴が異なる複数のアーカイブ間で、一貫した plage 面積推定が可能か？
• RQ3 光度校正および中心から縁への補正が、歴史的データからの plage 面積推定の正確さに与える影響は？
• RQ4 異なるアーカイブから得られた plage 面積系列の長期的傾向はどのように比較できるか？統一された複合系列を得るためにはどのような補正が必要か？
• RQ5 複数のアーカイブから得た plage 面積系列を相互に校正する最適な方法は何か？長期にわたる太陽放射再構築の信頼性を高めるために必要である。

主な発見

• 異なるアーカイブから得られた plage 面積系列は概ね一致するが、機器的および処理上の違いに起因する顕著な乖離も認められる。
• 正確な光度校正および中心から縁への補正は、信頼性の高い plage の同定に不可欠であり、面積推定値の誤差を低減し、アーカイブごとのセグメンテーションパrameterの調整を不要にする。
• Kodaikanal および Mt Wilson アーカイブは、最も安定した長期的記録を示し、他のアーカイブの相互校正のための信頼できる基準として機能する。
• Kodaikanal を基準とした複合系列と他のアーカイブとの間の関係は線形関係が最も適切に適合するが、Mt Wilson を基準とした複合系列との関係では、べき乗則関係がより適切に適合する。
• 2つの複合系列は絶対的な plage 面積レベルおよび長期的傾向において相違を示しており、太陽活動の進化に関する結論を下す前に、機器的および手法的非一貫性を是正する重要性が浮き彫りになる。
• 10万枚を超える画像を処理したにもかかわらず、最終的な複合系列では10,561日分のデータが欠落している。これは、Catania, Coimbra, Kyoto などの追加アーカイブや、Kodaikanal の新規デジタル化データを統合することで、さらに削減可能である可能性を示している。