[論文レビュー] The formation of sunspot penumbra. I. Magnetic field properties

R. Rezaei, N. Bello González+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 99被引用数 37

ひとこと要約

本研究は、太陽黒spotのペヌーブラ形成過程における磁場特性を、ドイツのVTT望遠鏡で取得されたTIPおよびGFPIの同時高コマスペクトロポラリメトリック観測を用いて調査した。その結果、ペヌーブラ形成は、約2–3×10¹⁸ Mxの磁束を持つ小規模磁束パッチ（SFPs）の出現によって駆動されており、それらが合体して1秒あたり4.2×10¹⁶ Mxの割合で磁束を供給していることが判明した。一方、光ブリッジは磁束を輸送し、磁束密度、磁束密度（約1.6 kG）、および傾き（60°以上）の臨界条件を満たすと、ペヌーブラフィラメントの核化サイトとして機能する。

ABSTRACT

We study the formation of a sunspot penumbra in the active region NOAA11024. We simultaneously observed the Stokes parameters of the photospheric iron lines at 1089.6 nm with the TIP and 617.3 nm with the GFPI spectropolarimeters along with broad-band images using G-band and CaIIK filters at the German VTT. The formation of the penumbra is intimately related to the inclined magnetic field. Within 4.5 h observing time, the magnetic flux of the penumbra increases from 9.7E+20 to 18.2E+20 Mx, while the magnetic flux of the umbra remains constant at about 3.8E+20 Mx. Magnetic flux in the immediate surroundings is incorporated into the spot, and new flux is supplied via small flux patches (SFPs), which on average have a flux of 2-3E+18 Mx. The spot's flux increase rate of 4.2E+16 Mx/s corresponds to the merging of one SFP per minute. We also find that during the formation of the spot penumbra: a) the maximum magnetic field strength of the umbra does not change, b) the magnetic neutral line keeps the same position relative to the umbra, c) the new flux arrives on the emergence side of the spot while the penumbra forms on the opposite side, d) the average LRF inclination of the light bridges decreases from 50 to 37 deg, and e) as the penumbra develops, the mean magnetic field strength at the spot border decreases from 1.0 to 0.8 kG. The SFPs associated with elongated granules are the building blocks of structure formation in active regions. During the sunspot formation, their contribution is comparable to the coalescence of pores. A quiet environment in the surroundings is important for penumbral formation. As remnants of trapped granulation between merging pores, the light bridges are found to play a crucial role in the formation process. They seem to channel the magnetic flux through the spot during its formation. Light bridges are also the locations where the first penumbral filaments form.

研究の動機と目的

• 黒spotペヌーブラ形成過程における磁場条件および磁束供給メカニズムを理解すること。
• 小規模磁束パッチ（SFPs）および光ブリッジが、出現中の活動領域の構造的進化に果たす役割を特定すること。
• ペヌーブラ形成に必要な臨界磁場パラメータ（磁束、磁束密度、傾き）を定量すること。
• 磁束出現、磁束傾き、およびペヌーブラフィラメント発展との空間的・時間的関係を調査すること。

提案手法

• ドイツのVTT望遠鏡で、1089.6 nm（TIP）および617.3 nm（GFPI）の光球Fe I線の同時スペクトロポラリメトリ観測を、高時間・高空間分解能で実施。
• ストークスプロファイルの逆問題解法により、光球磁場ベクトル（視線方向（LOS）および局所基準座標系（LRF）における傾き）を再構成。
• AZAMコードを用いてLOS傾きをLRF傾きに変換し、磁場幾何学的解析を正確に行う。
• GバンドおよびCa II Kフィルターのブロードバンド画像を用いて、プロトスポットおよびペヌーブラ形成の形態的進化を追跡。
• 4.5時間にわたる、 umbra、 penumbra、周辺領域における磁束の時間的変化を追跡。
• 小規模磁束パッチ（SFPs）の同定および磁束測定を行い、磁束供給および合体イベントにおける役割を特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ペヌーブラ形成に必要な臨界磁束、磁束密度、傾きの閾値は何か？
• RQ2 小規模磁束パッチ（SFPs）は、形成中のペヌーブラにおける磁束増加にどのように寄与しているか？
• RQ3 光ブリッジは、磁束輸送およびペヌーブラフィラメントの核化に果たす役割は何か？
• RQ4 ペヌーブラ発達過程における磁場配置の空間的・時間的変化はどのように進行するか？
• RQ5 なぜペヌーブラ形成は、磁束出現地点とは反対側に偏って発生するのか？

主な発見

• LRF磁束は4.5時間の間に9.7×10²⁰ Mxから18.2×10²⁰ Mxに増加したが、 umbra の磁束は約3.8×10²⁰ Mxで一定であった。
• spotの磁束増加率4.2×10¹⁶ Mx s⁻¹は、1分間に1つのSFPが合体する割合に対応し、個々のSFPの平均磁束は2–3×10¹⁸ Mxであった。
• 強い磁束密度と低い傾きを示す領域ではペヌーブラが形成されず、磁束傾きが約60°を超えた領域でのみ安定したフィラメントが形成された。
• umbraにおける最大磁束密度は観測期間中を通じて一定であり、コア磁束密度の変化はなかった。
• ペヌーブラ発達に伴い、光ブリッジの平均LRF傾きは50°から37°に減少し、動的磁束チャネリングを示唆した。
• ペヌーブラ形成中、spot周辺の平均磁束密度は1.0 kGから0.8 kGに低下し、周辺部における磁束拡散および磁束密度低下を示した。