[论文解读] Analysis and modeling of solar irradiance variations

K. L. Yeo|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2014

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 201被引用 3

一句话总结

本文利用KPVT、SoHO/MDI和SDO/HMI的磁像，结合SATIRE-S模型，对1974年至2013年间的总太阳辐照度（TSI）和光谱太阳辐照度（SSI）进行了高精度重建。通过校准磁性特征对辐照度的贡献，并校正杂散光等仪器效应，该模型与多项卫星观测保持一致，解决了太阳周期中绝对辐射测量和光谱依赖性方面长期存在的差异。

ABSTRACT

A prominent manifestation of the solar dynamo is the 11-year activity cycle, evident in indicators of solar activity, including solar irradiance. Although a relationship between solar activity and the brightness of the Sun had long been suspected, it was only directly observed after regular satellite measurements became available with the launch of Nimbus-7 in 1978. The measurement of solar irradiance from space is accompanied by the development of models aimed at describing the apparent variability by the intensity excess/deficit effected by magnetic structures in the photosphere. The more sophisticated models, termed semi-empirical, rely on the intensity spectra of photospheric magnetic structures generated with radiative transfer codes from semi-empirical model atmospheres. An established example of such models is SATIRE-S (Spectral And Total Irradiance REconstruction for the Satellite era). One key limitation of current semi-empirical models is the fact that the radiant properties of network and faculae are not adequately represented due to the use of plane-parallel model atmospheres (as opposed to three-dimensional model atmospheres). This thesis is the compilation of four publications, detailing the results of investigations aimed at setting the groundwork necessary for the eventual introduction of three-dimensional atmospheres into SATIRE-S and a review of the current state of the measurement and modelling of solar irradiance. Also presented is an update of the SATIRE-S model. We generated a daily reconstruction of total and spectral solar irradiance, covering 1974 to the present, that is more reliable and, in most cases, extended than similar reconstructions from contemporary models.

研究动机与目标

• 在卫星时代（1974–2013年）内，以高时间与光谱分辨率重建总太阳辐照度（TSI）和光谱太阳辐照度（SSI）。
• 解决卫星测量与模型之间在绝对辐射测量、长期变化趋势以及光谱依赖性方面持续存在的差异。
• 通过整合经过校正的磁像并考虑杂散光和点扩散函数（PSF）失真等仪器效应，提高太阳辐照度重建的准确性。
• 通过SORCE、TIM和ISS等独立观测结果验证模型，确保不同平台间的一致性。
• 为气候建模和太阳-地球物理研究提供一个可靠且公开可获取的TSI和SSI时间序列。

提出的方法

• 采用SATIRE-S模型，该模型基于来自全圆盘磁像的光球磁场分布模拟太阳辐照度。
• 应用多仪器校准技术，对KPVT、SoHO/MDI和SDO/HMI磁像进行对齐，确保各任务间输入数据的一致性。
• 利用月食和边缘观测，校正SDO/HMI数据中的点扩散函数（PSF）和杂散光效应，以提高图像保真度。
• 在SATIRE-S模型中引入一个自由参数，以优化与观测到的TSI和SSI的一致性，该参数基于卫星测量进行标定。
• 进行误差分析，量化重建的TSI和SSI中的不确定性，包括数据缺失和仪器漂移等因素。
• 在2012年太阳活动极小期期间，通过SORCE、TIM和基于ISS的仪器等独立观测结果验证模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多个太阳周期内，能否基于光球磁像高精度重建总太阳辐照度和光谱太阳辐照度？
• RQ2 PSF和杂散光等仪器效应在多大程度上扭曲太阳表面特征的表观特性，并影响辐照度建模？
• RQ3 在11年太阳周期内，亮斑和黑子对总太阳辐照度变化的相对贡献如何？
• RQ4 卫星测量与模型之间在绝对辐射测量和光谱依赖性方面的差异是如何产生的？能否实现调和？
• RQ5 基于不同仪器（KPVT、MDI、HMI）的磁像，能否构建一个统一模型，生成40年间一致且可靠的TSI和SSI时间序列？

主要发现

• SATIRE-S模型成功地在1974年至2013年间重建了TSI和SSI，与SORCE和TIM等多颗卫星观测结果高度一致。
• 模型表明，亮斑对TSI有正向贡献，而黑子有负向贡献，净效应导致太阳周期内约0.1%的辐照度变化。
• 对SDO/HMI数据中杂散光的校正显著提高了 granulation 和磁性特征对比度测量的准确性，减少了系统性偏差。
• 重建的SSI与ISS及其他仪器的观测结果高度吻合，尤其在紫外和可见光波段表现良好。
• 该模型解决了长期变化趋势和光谱依赖性方面的差异，特别是在2008–2010年太阳活动极小期，此前模型低估了辐照度水平。
• 最终的TSI和SSI时间序列已公开发布，网址为 www.mps.mpg.de/projects/sun-climate/data.html，可供气候与空间天气建模使用。