[論文レビュー] Solar meridional circulation from twenty-one years of SOHO/MDI and SDO/HMI observations: Helioseismic travel times and forward modeling in the ray approximation

Zhi Chao Liang, L. Gizon+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2018

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 61被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、21年間のSOHO/MDIおよびSDO/HMIのヘルモセイスミックデータを時差法とレイトラス近似の前向きモデリングを用いて統合し、太陽内部の緯度方向循環を測定した。太陽黒点数周期23と24において南半球に一貫した単一セルパターンが確認されたが、南北非対称性が顕著であり、局所的流入の影響が深部の流れの解釈を複雑にする要因となっている。

ABSTRACT

The south-north travel-time differences are measured by applying time-distance helioseismology to the MDI and HMI medium-degree Dopplergrams covering May 1996-April 2017. Our data analysis corrects for several sources of systematic effects: P-angle error, surface magnetic field effects, and center-to-limb variations. An interpretation of the travel-time measurements is obtained using a forward-modeling approach in the ray approximation. The travel-time differences are similar in the southern hemisphere for cycles 23 and 24. However, they differ in the northern hemisphere between cycles 23 and 24. Except for cycle 24's northern hemisphere, the measurements favor a single-cell meridional circulation model where the poleward flows persist down to $\sim$0.8 $R_\odot$, accompanied by local inflows toward the activity belts in the near-surface layers. Cycle 24's northern hemisphere is anomalous: travel-time differences are significantly smaller when travel distances are greater than 20$^\circ$. This asymmetry between northern and southern hemispheres during cycle 24 was not present in previous measurements (e.g., Rajaguru & Antia 2015), which assumed a different P-angle error correction where south-north travel-time differences are shifted to zero at the equator for all travel distances. In our measurements, the travel-time differences at the equator are zero for travel distances less than $\sim$30$^\circ$, but they do not vanish for larger travel distances. This equatorial offset for large travel distances need not be interpreted as a deep cross-equator flow; it could be due to the presence of asymmetrical local flows at the surface near the end points of the acoustic ray paths.

研究の動機と目的

• 長期にわたる統合MDIおよびHMIデータを用いて、太陽の緯度方向循環のヘルモセイスミック測定の精度を向上させること。
• P角誤差、表面磁場の影響、および中心から縁への変化に起因する系統的誤差を補正すること。
• レイトラス近似を用いた前向きモデリングにより、測定された伝搬時間シフトを内部流れ構造の兆候として解釈すること。
• 太陽黒点数周期23と24にわたる緯度方向循環の時間的変化と非対称性を調査すること。
• 近表面の局所的流入が、グローバルスケールの緯度方向流れ信号の解釈に与える影響を評価すること。

提案手法

• SOHO/MDI（1996–2003）およびSDO/HMI（2010–2017）の中程度の次数のドップラー画像を用い、時差ヘルモセイスミック法を適用。期間は1996年5月から2017年4月まで。
• データの重複期間におけるMDIとの相互相関とHMIの金星・水星食を用いたキャリブレーションにより、P角誤差を補正。
• 中心から縁への変化を補正するために、東西方向の伝搬時間差から推定し、MDIおよびHMIそれぞれに特化した補正を実施。
• レイトラス近似における前向きモデリング手法を用い、測定された伝搬時間シフトを内部流れの兆候として解釈。
• ノイズを低減し、大規模な循環パターンを抽出するために、長期平均化を実施。
• Carrington回転軸のずれやレイトラス近似における有限波長効果を含む系統的不確実性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽黒点数周期23と24にわたる内部の緯度方向循環は、特に南北非対称性の観点からどのように変化するか？
• RQ2 近表面の局所的流入が、活動領域に向かって流入する場合、深部の緯度方向循環信号をどれほど模倣または隠蔽するか？
• RQ3 P角誤差や中心から縁への変化といった系統的誤差が、ヘルモセイスミック流れ測定の正確性に与える影響はどの程度か？
• RQ4 レイトラス近似は、大距離ヘルモセイスミック測定における伝搬時間シフトを信頼できる形でモデル化できるか。あるいは、有限波長効果が顕著か？
• RQ5 表面磁場が伝搬時間シフトに与える影響は何か。これは緯度方向流れ構造の解釈にどのように影響するか？

主な発見

• 20°–35°の緯度帯において、太陽黒点数周期23と24の間で南半球の伝搬時間差に類似性が認められ、安定した単一セル循環パターンが存在することが示された。
• 北半球では、周期23と24の間で伝搬時間差に顕著な差が認められ、緯度方向流れの進化に南北非対称性が存在することが示された。
• ほとんどの領域で単一セルの緯度方向循環モデルが支持されるが、周期24における北半球では、複雑な流れのダイナミクスを示唆する乖離が観測された。
• 活動領域に向かう局所的流入は、緯度および伝搬距離に応じて交互に変化する時間遅れパターンを生じさせ、測定された伝搬時間の周期的変動に寄与している。
• 本研究で用いた距離範囲内では、近表面の流入のアンカーリング深さに依存しない伝搬時間シフトが観測されたため、現在のデータと手法ではより深い流れ構造を解明できないことが示唆された。
• Carrington回転軸のずれによる系統的不確実性は、2003年中頃以降にB₀角が小さいMDIデータを除外したことにより最小限に抑えられ、レイトラス近似の誤差は短距離で0.01–0.03秒程度と推定された。