[논문 리뷰] On the Formation of Penumbrae as Observed with the German VTT, SOHO/MDI, and SDO/HMI

R. Schlichenmaier, R. Rezaei외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 02. 04.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 독일 공기층 타워 망원경(VTT), SOHO/MDI, SDO/HMI의 고해상도 관측을 통해 태양 sunspot의 반그림자 형성 메커니즘을 조사한다. 반그림자가 형성되는 과정에서 미세한 요소들의 융합을 통해 자기력선이 증가하고, 포어와 새로운 이극자들이 융합되며, 융합 과정에서 형성된 빛 다리(light bridges)는 시간이 지남에 따라 사라지며, 자기장이 충분한 기울기와 공간적 자유도를 확보할 때만 반그림자 구조가 나타남을 발견한다. 이는 들어오는 자기력선의 간섭을 피할 수 있을 때 성립한다.

ABSTRACT

Solar magnetic fields are generated in the solar interior and pop up at the solar surface to form active regions. As the magnetic field appears on the surface, it forms various structures like small magnetic elements, pores, and sunspots. The nature of these formation processes is largely unknown. In this contribution we elaborate on the formation of sunspots and particularly on the formation of penumbrae. We report on observations that we obtained at the German VTT on July 4, 2009 on the formation of the spot in AR 11024. This data set is accomplished with data from SOHO/MDI which offers an entire time coverage. Moreover, the evolution of AR 11024 is compared with a particular event of penumbra formation in AR 11124 around November 13, 2010, using intensity images from SDO/HMI. We conclude that two processes contribute to the increase of the magnetic flux of a sunspot: (1) merging pores, and (2) emerging bipoles of which the spot polarity migrates towards and merges with the spot. As the penumbra forms the area, magnetic flux, and maximum field strength in the umbra stay constant or increase slightly, i.e. the formation of the penumbra is associated with flux emergence and an flux increase of the proto-spot. If two pores merge or if a pore merges with a proto-spot a light bridge is created. This initial light bridge dissolves in the further evolution.

연구 동기 및 목표

• 태양 sunspot의 반그림자 형성 배경이 되는 물리적 메커니즘을 이해하는 것. 이는 태양물리학 분야에서 오랫동안 미해결된 문제이다.
• sunspot 형성 과정에서 자기력선이 어떻게 증가하는지, 그리고 이 증가 현상이 반그림자 발달과 관련이 있는지 조사하는 것.
• 융합되는 포어와 새로운 이극자들이 활성역의 진화 및 빛 다리 형성에 미치는 역할을 분석하는 것.
• 반그림자 구조가 나타나는 조건, 특히 자기장 기울기와 공간적 안정성의 역할을 규명하는 것.
• 반그림자 형성 이전의 유동 패턴을 분석하고, 이들이 우마루에서 반그림자 대류로의 전이를 유도할 가능성이 있는지 평가하는 것.

제안 방법

• 독일 공기층 타워 망원경(VTT)에서 0.3 arcsec 해상도로 확보한 다중 파장 스펙트로-자기편광 관측을 통해 2009년 7월 4일 AR 11024에서 초기 sunspot의 형성 과정을 기록하였다.
• SOHO/MDI 연속성 및 자기장도 데이터는 AR 11024의 전체 시간적 변화를 제공하여 자기력선 변화와 sunspot 발달을 추적하는 데 기여하였다.
• SDO/HMI 강도 영상은 2010년 11월 13일경 AR 11124의 진화를 분석하는 데 사용되었으며, 특히 반그림자 형성과 빛 다리의 역학적 변화에 집중하였다.
• VTT, MDI, HMI의 스냅샷 영상 시계열 분석을 통해 포어 이동, 융합 사건, 반그림자 세그먼트의 출현을 추적하였다.
• 자기장 구조와 기울기를 분석하여 반그림자 대류 모드가 나타나는 조건을 평가하였다.
• 유동장 분석을 통해 반그림자 형성 이전에 나타나는 이례적인 유동, 특히 일반적인 Evershed 유동과 반대 방향의 흐름을 탐지하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반그림자 형성 과정에서 자기력선 증가를 이끄는 물리적 과정은 무엇인가?
• RQ2 융합되는 포어와 새로운 이극자들이 초기 sunspot의 성장과 반그림자 구조 발달에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 왜 반그림자 형성은 빛 다리와 주변 우마루의 접합부에서 선호적으로 발생하며, 왜 융합 발생 부근에서는 억제되는가?
• RQ4 특이한, Evershed 유동과 반대 방향의 유동이 반그림자 세그먼트 형성의 촉매 역할을 하는가?
• RQ5 어떤 자기장 조건에서 우마루에서 반그림자 대류로의 전이가 발생하는가?

주요 결과

• 반그림자는 두 개의 포어 융합과 함께 새로운 이극자에서 유래한 자기력선 요소들의 후속 융합을 통해 형성되며, 반그림자 형성 단계에서는 추가적인 포어 융합가 발생하지 않는다.
• 자기력선은 형성 과정 내내 일정하게 증가하며, 주로 포어 융합과 새로운 이극자에서 유래한 자기력선 요소의 유입으로 인해 발생한다.
• 포어 융합 과정에서 형성된 빛 다리는 시간이 지남에 따라 사라지며, 약 3.5시간 내로 거의 보이지 않게 되어, 변화하는 sunspot에서 일시적인 성격을 지닌다.
• 반그림자는 빛 다리의 외부 끝부분에서 선호적으로 형성되지만, 자기장 기울기가 충분히 크고 들어오는 자기력선의 간섭이 없는 조건에서만 발생한다.
• 반그림자 세그먼트 형성 이전에 일반적인 Evershed 유동과 반대 방향의 이례적인 유동이 관측되며, 이는 유동의 유도 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았다.
• 우마루에서 반그림자 대류로의 전이 과정은 자기장 기울기의 임계적 증가와 관련이 있으며, 반그림자 모드 발생의 임계 조건을 시사한다.