[논문 리뷰] The solar magnetic field since 1700: II. Physical reconstruction of total, polar and open flux

Jie Jiang, R. H. Cameron외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 02. 07.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 45인용 수 31

한 줄 요약

이 연구는 태양_spot 수 데이터와 경험적 통계적 관계를 기반으로 유도된 반합성적인 태양_spot 군 기록을 기반으로 한 표면 플럭스 운반 모델을 사용하여 1700년부터 현재까지 태양 자기장과 헬리오스피어 개방 플럭스를 재구성한다. 모델은 관측된 극지역 및 개방 플럭스 추세를 잘 재현하며, 극지역 자기장 강도와 다음 주기의 진폭 사이에 강한 상관관계가 있음을 확인하고, 1793~1800년경에 '실종된' 주기를 가정할 경우 고세기 우주선 기록과 모순됨을 보여준다.

ABSTRACT

We have used semi-synthetic records of emerging sunspot groups based on sunspot number data as input for a surface flux transport model to reconstruct the evolution of the large-scale solar magnetic field and the open heliospheric flux from the year 1700 onward. The statistical properties of the semi-synthetic sunspot group records reflect those of the observed the Royal Greenwich Observatory photoheliographic results. These include correlations between the sunspot numbers and sunspot group latitudes, longitudes, areas and tilt angles. The reconstruction results for the total surface flux, the polar field, and the heliospheric open flux (determined by a current sheet source surface extrapolation) agree well with the available observational or empirically derived data and reconstructions. We confirm a significant positive correlation between the polar field during activity minimum periods and the strength of the subsequent sunspot cycle, which has implications for flux transport dynamo models for the solar cycle. Just prior to the Dalton minimum, at the end of the 18th century, a long cycle was followed by a weak cycle. We find that introducing a possibly `lost' cycle between 1793 and 1800 leads to a shift of the minimum of the open flux by 15 years which is inconsistent with the cosmogenic isotope record.

연구 동기 및 목표

• 물리적 모델링을 통해 1700년 이후 대규모 태양 자기장과 헬리오스피어 개방 플럭스의 변화를 재구성하는 것.
• 표면 플럭스 운반 모델(SFTM)이 극지역 자기장 및 개방 플럭스 재구성과 같은 관측 및 경험적 자료와 얼마나 잘 일치하는지 검증하는 것.
• 태양 최소기의 극지역 자기장 강도와 다음 태양_spot 주기의 진폭 사이의 물리적 연관성 규명.
• 특히 달턴 최소기 근처에서 잠재적으로 실종된 태양_spot 주기의 존재가 개방 플럭스 변화에 미치는 영향 평가.
• 재구성된 개방 플럭스가 10Be 빙하 코어 등의 고세기 우주선 기록과 얼마나 일관되는지 평가하는 것.

제안 방법

• 표면 플럭스 운반 모델(SFTM)은 태양 표면에서의 법선 자기장에 대한 이동-확산 방정식을 해결하며, 비균일한 회전, 적도 흐름, 난류 확산을 포함한다.
• 자기장의 표면 유입을 위한 소스 항목 S(λ,φ,t)는 RGO 광천체도 촬영 데이터에서 유도된 태양_spot 군 특성(면적, 위도, 경도, 기울기 각도)과 주기 진폭 사이의 통계적 상관관계를 기반으로 반합성적인 태양_spot 군 기록으로 생성된다.
• 3차원 자기장 감쇠를 고려하기 위해 수직 확산(ηr)을 포함하며, 수평 확산계수 ηH는 250 km² s⁻¹로 고정된다.
• 현재 시트 소스 표면(CSSS) 모델은 표면 자기장을 외삽하여 헬리오스피어 개방 플럭스를 계산한다.
• 모델 검증은 관측된 극지역 자기장 자료와 aa 지수 및 고세기 우주선 기록을 기반으로 한 재구성 자료를 사용한다.
• 통계적 불확실성은 반합성 소스 기록의 20개 독립적 실현을 통해 극지역 및 개방 플럭스의 표준편차를 평가하여 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양_spot 수 데이터와 통계적 상관관계만을 사용하여 표면 플럭스 운반 모델이 관측된 극지역 및 개방 자기장 플럭스 추세를 얼마나 잘 재현할 수 있는가?
• RQ2 태양 최소기의 극지역 자기장 강도와 다음 태양_spot 주기의 진폭 사이에 관측된 상관관계의 물리적 기반은 무엇인가?
• RQ3 1793~1800년 사이에 '실종된' 태양_spot 주기를 가정할 경우 고세기 우주선 기록과의 일관성이 향상되는가?
• RQ4 태양_spot 군 특성과 주기 강도 사이의 통계적 관계에서 유도된 비선형 소스 항목이 재구성된 자기장 변화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 특히 반합성 소스의 랜덤 변동으로 인한 모델 불확실성은 극지역 및 개방 플럭스 재구성의 신뢰성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 재구성된 총 표면 플럭스, 극지역 자기장, 헬리오스피어 개방 플럭스는 관측 및 경험적 재구성과 양호한 일치를 보이며, 모델의 물리적 일관성을 검증한다.
• 태양 최소기의 극지역 자기장 강도와 다음 주기의 진폭 사이에 유의미한 정적 상관관계가 확인되어 플럭스 운반 다이너모 모델의 타당성을 지지한다.
• 시간에 따라 변화하는 적도 흐름이나 추가 감쇠 항목 없이도, 통계적 상관관계에서 기인한 비선형 소스 항목 효과로 인해 매 주기마다 극지역 자기장의 극성 전환이 잘 재현된다.
• 1793~1800년 사이에 '실종된' 주기를 가정할 경우 달턴 최소기 동안 개방 플럭스 최소치가 15년 이르게 이동하게 되며, 이는 10Be 고세기 우주선 기록과 일치하지 않는다.
• 개방 플럭스의 표준편차는 최대기 동안 평균 값의 약 13%에 이르며, 이는 개방 플럭스 추정치에 더 높은 불확실성이 있음을 시사한다. 반면 극지역 자기장의 표준편차는 낮아 안정된 추정이 가능하다.
• 전체 시뮬레이션 기간 동안 평균 표준편차는 극지역 자기장과 개방 플럭스 모두 평균 값의 약 10% 수준이며, 이는 재구성에 중간 정도의 불확실성이 있음을 나타낸다.