[论文解读] A persistent quiet-Sun small-scale tornado. II. Oscillations

Tziotziou, K., Tsiropoula, G.+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2019

Meteorological Phenomena and Simulations被引用 19

一句话总结

本研究利用高分辨率CRISP观测数据，对持续1.7小时的宁静太阳涡旋（类似小尺度龙卷风）中的振荡动力学进行了研究，覆盖Hα和Ca ii 8542 Å谱线。研究揭示了显著的3–5分钟振荡，峰值周期为4分钟，同时存在200–220秒的摆动运动，以及随高度增加而增大的旋转周期（Hα中为270秒，Ca ii 8542 Å中为215秒），表明非刚性旋转及存在倏逝波、磁声波和阿尔芬波，暗示该结构为磁支撑结构，中心涡旋作为‘核心引擎’驱动其运动。

ABSTRACT

Recently, the characteristics, and dynamics of a persistent 1.7 h vortex flow, resembling a small-scale tornado, have been investigated with ground-base and space-based observations and for the first time in the Ha line centre. The vortex flow showed significant substructure in the form of several intermittent chromospheric swirls. We investigate the oscillatory behaviour of various physical parameters in the vortex area, with a 2D wavelet analysis performed within the vortex flow area and in a quiet-Sun region (for comparison), using the same high spatial and temporal resolution Ha and Ca II 8542 CRISP observations, as well as Doppler velocities and FWHM derived from the Ha line profiles. The vortex flow shows significant oscillatory power in the 3-5 min range that peaks around 4 min and behaves differently than the reference quiet-Sun region. Oscillations reflect the cumulative action of different components such as swaying motions, rotation, and waves. The derived swaying motion periods are in the range of 200-220 s, and the rotation periods are ~270 s for Ha and ~215 s for Ca II. Periods increase with atmospheric height and seem to decrease with radial distance from the vortex centre, suggesting a deviation from a rigid rotation. The behaviour of power within the vortex flow as a function of period and height implies the existence of evanescent waves and the excitation of different types of waves, such as magnetoacoustic (e.g. kink) or Alfven waves. The vortex flow seems to be dominated by two motions: a transverse (swaying) motion, and a rotational motion while oscillations point to the propagation of waves within it. Nearby fibril-like flows could play an important role in the rotational modulation of the vortex flow. Indirect evidence exists that the structure is magnetically supported while the central swirl seems to be acting as a "central engine" to the vortex flow.

研究动机与目标

• 研究持久宁静太阳涡旋流中物理参数的振荡行为。
• 确定振荡周期如何随高度和距涡旋中心的径向距离变化。
• 识别涡旋内激发的波的性质，包括磁声波和阿尔芬波模式。
• 评估涡旋结构是否为磁支撑，并判断是否存在中心驱动源或‘核心引擎’。
• 首次对这种长时间存在、小尺度的太阳涡旋进行全面的谱分析。

提出的方法

• 对Hα和Ca ii 8542 Å谱线轮廓的高空间分辨率和高时间分辨率CRISP观测数据进行二维小波分析。
• 分析从Hα谱线轮廓提取的多普勒速度和半高全宽（FWHM），以提取振荡信号。
• 在涡旋内部及参考宁静太阳区域沿径向和环向切片进行谱分析，以进行对比。
• 利用小波功率谱识别主导振荡周期及其在大气高度上的时空演化。
• 将涡旋中的振荡功率与宁静太阳区域进行比较，以隔离涡旋特异性动力学。
• 研究振荡周期在径向和高度方向上的变化，以推断旋转和摆动运动。

实验结果

研究问题

• RQ1 涡旋流中的主导振荡周期是什么？它们如何随大气高度和距中心的径向距离变化？
• RQ2 观测到的振荡是否与摆动、旋转或波状运动一致？其特征周期是什么？
• RQ3 涡旋内激发的波的类型（如磁声波或阿尔芬波）有哪些？其存在的证据是什么？
• RQ4 涡旋结构是否为磁支撑？是否存在中心驱动源或‘核心引擎’的证据？
• RQ5 涡旋中的振荡特性与周围宁静太阳区域有何不同？

主要发现

• 涡旋流在3–5分钟范围内表现出显著的振荡功率，峰值周期为4分钟，且在所有大气高度上均有显著功率延伸至10分钟。
• 摆动运动的周期为200–220秒，表明涡旋结构内部存在横向振荡。
• 旋转周期在Hα中约为270秒，在Ca ii 8542 Å中约为215秒，随大气高度增加而增大。
• 振荡周期随距涡旋中心的径向距离增加而减小，表明偏离刚性旋转，暗示准刚性或差速旋转。
• 功率随周期和高度的变化表明存在倏逝波行为，暗示波在涡旋结构内被束缚或反射。
• 中心涡旋在Hα和Ca ii 8542 Å谱线中心表现出增强功率，主导振荡谱，很可能作为驱动涡旋流的‘核心引擎’。