[論文レビュー] Vortex Flows in the Solar Atmoshpere: Automated Identification and Statistical Analysis

Ioannis Giagkiozis, V. Fedun+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2017

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、Fe i連続スペクトル観測を対象として、局所相関追跡と流体力学的渦検出アルゴリズムを組み合わせた完全自動化手法を用いて、太陽光球における小スケールの強度渦を特定する手法を提示する。その結果、約140万個のこのような渦が同時に存在し、それぞれの持続時間は約17秒、光球面積の2.8%を占めると判明した。これらの渦は、MHD波の励起によってコロナ加熱に寄与する可能性を示唆している。

ABSTRACT

Aims. Due to the fundamental importance of vortices on the photosphere, in this work we aim to fully automate the process of intensity vortex identification to facilitate a more robust statistical analysis of their properties. Methods. Using on-disk observational data of the Fe I continuum, the process of vortex identification is fully automated, for the first time in solar physics, with the help of an established method from hydrodynamics initially employed for the study of eddies in turbulent flows (Graftieaux et al. 2001). Results. We find that the expected lifetime of intensity vortices is much shorter (~ 17s) compared with previously observed magnetic bright point swirls. Our findings suggest that at any time there are 1.4e6 such small-scale intensity vortices covering about 2.8% of the total surface of the solar photosphere.

研究の動機と目的

• 観測者のバイアスや不完全なサンプリングの問題を克服するため、光球の強度渦を自動的に同定すること。
• スケーラブルで再現性のある手法を用いて、渦の性質に関する堅牢な統計的分析を可能にすること。
• 静穏太陽における小スケール渦の空間的・時間的密度を推定すること。
• これらの渦がMHD波を駆動し、コロナ加熱に寄与する可能性を調査すること。
• 強度渦と太陽大気内の大規模な磁気トルネードとの関連を評価すること。

提案手法

• Fe i連続スペクトルデータに局所相関追跡（LCT）を適用し、光球速度場を推定すること。
• Graftieauxら（2001）が提唱した流体力学的渦検出法を応用し、速度場内での渦中心および境界を同定すること。
• 渦度場を用いて、渦を時計回り（負）または反時計回り（正）に分類すること。
• 渦のパラメータ（寿命、直径、平均垂直速度、面積）を自動抽出すること。
• 連続する時間ステップにわたる渦の追跡により、寿命および空間的分布を推定すること。
• 全観測データセット（58.5分間）を用いた統計的解析により、渦集団の性質を分析すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静穏太陽光球における小スケール強度渦の典型的な寿命はどのくらいか？
• RQ2 太陽光球面上で同時に存在するこのような渦はどれくらいの数か？
• RQ3 これらの渦が光球面積のどの程度を占めているか？
• RQ4 強度渦の統計的性質は、従来観測された磁気明点の渦と比べてどう異なるか？
• RQ5 これらの渦が太陽大気内でのMHD波の源または磁気トルネードの前身である可能性はいかが？

主な発見

• 強度渦の期待寿命は約17秒であり、従来観測された磁気明点の渦よりも著しく短い。
• 任意の時刻に、太陽光球面上に約1.4 × 10⁶個の強度渦が存在する。
• これらの渦は合計で光球表面積の約2.8%を占める。
• これらの渦のうちたとえ10%しかコロナ下層部に達しなくても、その面積はコロナ全体の17%以上を占める可能性がある。
• このようなコロナ渦からの推定されるポインティングフラックスは440 W m⁻²に達し、静穏太陽加熱に必要なエネルギー（約300 W m⁻²）を上回る。
• 従来の渦数の推定値は、手動による検出の制限のため、おおよそ10倍程度低く見積もられていた可能性が示唆された。