[论文解读] Oscillation Power in Sunspots and Quiet Sun from Hankel Analysis Performed on SDO/HMI and SDO/AIA Data

Sébastien Couvidat|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2012

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 7

一句话总结

本研究利用SDO/HMI和AIA数据的Hankel-Fourier分析，探究黑子和宁静太阳区域在不同高度上的波功率变化。结果表明，黑子在所有高度上均会减弱频率低于~4.5 mHz的f-模和p-模波功率，而在日冕层（1600 Å，1700 Å）的4.5–5.5 mHz频段则增强波功率，可能由于声学光辉效应；而宁静太阳区域在连续谱层因米粒组织效应导致波功率显著减弱。

ABSTRACT

The Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) and the Atmospheric Imaging Assembly (AIA) instruments onboard the Solar Dynamics Observatory satellite produce Doppler velocity and continuum intensity at 6173 A as well as intensity maps at 1600 A and 1700 A, which can be used for helioseismic studies at different heights in the solar photosphere. We perform a Hankel-Fourier analysis in an annulus centered around sunspots or quiet-Sun regions, to estimate the change in power of waves crossing these regions of interest. We find that there is a dependence of power-reduction coefficients on measurement height in the photosphere: Sunspots reduce the power of outgoing waves with frequencies lower than 4.5 mHz at all heights, but enhance the power of acoustic waves in the range 4.5-5.5 mHz toward chromospheric heights, which is likely the signature of acoustic glories (halos). Maximum power reduction seems to occur near the continuum level and to decrease with altitude. Sunspots also impact the frequencies of outgoing waves in an altitude-dependent fashion. The quiet Sun is shown to behave like a strong power reducer for outgoing f and p-modes at the continuum level, with a power reduction 15-20%, and like a weak power enhancer for p-modes higher in the atmosphere. It is speculated that the surprising power reduction at the continuum level is related to granulation. In Doppler-velocity data, and unlike in intensity data, the quiet Sun behaves like a strong power reducer for granular flows.

研究动机与目标

• 利用同步的HMI和AIA观测数据，研究波功率在不同大气高度上如何被黑子和宁静太阳区域调制。
• 确定振荡模态的功率减弱或增强是否依赖于太阳大气中的形成高度。
• 探讨米粒组织在HMI连续谱和多普勒速度数据中观测到的功率减弱中的作用。
• 研究黑子和宁静太阳区域中波功率变化的频率依赖性行为。
• 评估磁场对波传播的影响，包括模态转换和散射效应。

提出的方法

• 对以黑子和宁静太阳区域为中心的环形区域应用Hankel-Fourier分析，以测量向外传播波功率相对于向内传播波功率的相对变化。
• 使用SDO/HMI（多普勒速度、6173 Å连续谱强度）和AIA（1600 Å，1700 Å）的数据，探测从光球层到低日冕层的波行为。
• 通过减去背景噪声后，比较向外与向内波功率，计算功率减弱/增强系数α。
• 对15个黑子和4个宁静太阳区域进行分析，以确保统计稳健性。
• 多波段同步分析使我们能够比较不同形成高度（HMI多普勒速度为150 km，Fe I线为~300 km，AIA 1600 Å为~430 km）处的波行为。
• 与MHD模拟（如R. Stein的模拟）进行对比，以检验仅由米粒组织和磁场效应是否能再现观测到的功率减弱。

实验结果

研究问题

• RQ1 黑子中波功率的减弱或增强如何随大气高度变化？
• RQ2 尽管宁静太阳区域磁性不活跃，为何其在连续谱层表现出强烈的功率减弱？
• RQ3 为何在黑子区域的日冕高度（AIA 1600 Å，1700 Å）观测到4.5–5.5 mHz频段的波功率增强？
• RQ4 考虑到模拟未再现该效应，HMI多普勒速度数据中观测到的功率减弱在多大程度上与米粒组织相关？
• RQ5 磁场在不同大气层中如何影响f-模和p-模的频率与传播特性？

主要发现

• 黑子在所有大气高度上均减弱频率低于~4.5 mHz的向外传播波功率，且在连续谱层（6173 Å）处减弱最强。
• 在AIA 1600 Å和1700 Å波段观测到~4.5–5.5 mHz波的功率增强，表明存在声学光辉效应，该现象在多普勒速度数据中未见。
• 宁静太阳区域在HMI连续谱层使f-模和p-模的波功率减弱约15–20%，此前未报道的这种行为，可能与米粒组织有关。
• 在更高大气层（AIA波段），宁静太阳区域对p-模呈微弱增强作用，同时继续吸收f-模。
• HMI多普勒速度数据中米粒流动引起的波功率减弱强烈，但模拟未再现此效应，表明其与米粒组织之间存在复杂且非平凡的关系。
• AIA数据中观测到向外传播波的频率偏移，与黑子中的外流一致，且随模态阶数和频率而变化。