[论文解读] Analysis of full disc Ca II K spectroheliograms. II. Towards an accurate assessment of long-term variations in plage areas

Theodosios Chatzistergos, I. Ermolli+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2019

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 59被引用 14

一句话总结

本研究利用来自八个天文台的逾10万张历史与现代Ca II K光谱日面图（1893–2018年），首次实现了长期 plage 面积变化的复合重建。通过应用一致的测光定标与中心-边缘校正，作者减少了系统性误差，并推导出统一的 plage 面积序列，揭示了档案中显著的仪器与处理不一致性，表明为实现准确的长期太阳活动重建，必须进行交叉定标。

ABSTRACT

Reconstructions of past irradiance variations require suitable data on solar activity. The longest direct proxy is the sunspot number, and it has been most widely employed for this purpose. These data, however, only provide information on the surface magnetic field emerging in sunspots, while a suitable proxy of the evolution of the bright magnetic features, specifically faculae/plage and network, is missing. This information can potentially be extracted from the historical full-disc observations in the Ca II K line. We have analysed over 100,000 historical images from 8 digitised photographic archives of the Arcetri, Kodaikanal, McMath-Hulbert, Meudon, Mitaka, Mt Wilson, Schauinsland, and Wendelstein observatories, as well as one archive of modern observations from the Rome/PSPT. The analysed data cover the period 1893--2018. We first performed careful photometric calibration and compensation for the centre-to-limb variation, and then segmented the images to identify plage regions. This has been consistently applied to both historical and modern observations. The plage series derived from different archives are generally in good agreement with each other. However, there are also clear deviations that most likely hint at intrinsic differences in the data and their digitisation. We showed that accurate image processing significantly reduces errors in the plage area estimates. Accurate photometric calibration also allows precise plage identification on images from different archives without the need to arbitrarily adjust the segmentation parameters. Finally, by comparing the plage area series from the various records, we found the conversion laws between them. This allowed us to produce a preliminary composite of the plage areas obtained from all the datasets studied here. This is a first step towards an accurate assessment of the long-term variation of plage regions.

研究动机与目标

• 利用历史Ca II K光谱日面图生成一致的、长期的plage面积记录，这些数据对于重建太阳辐照度变化至关重要。
• 识别并纠正因多份档案中仪器差异、观测程序和数字化方法而产生的系统性误差。
• 通过标准化图像处理与分割方法，实现对多样化历史数据集的plage面积估计的可靠比较。
• 通过基于Kodaikanal和Mt Wilson参考系列的转换定律推导，生成初步的复合plage面积序列，从而提高长期太阳活动重建的可靠性。

提出的方法

• 从八个历史档案（Arcetri、Kodaikanal、McMath-Hulbert、Meudon、Mitaka、Mt Wilson、Schauinsland、Wendelstein）和一个现代档案（Rome/PSPT）获取并处理了超过10万张全圆盘Ca II K图像，时间跨度为1893–2018年。
• 使用基于安静太阳强度变化的物理模型，对图像背景水平进行一致的测光定标与中心-边缘变化（CLV）校正。
• 对所有档案采用一致的图像分割算法以识别plage区域，避免对每份数据集进行任意的参数调整。
• 评估定标质量对plage面积估计的影响，结果表明准确的背景估计比绝对测光定标更为关键。
• 以最稳定的记录（Kodaikanal和Mt Wilson）为参考，建立不同档案系列之间的转换定律，实现跨数据集的对齐。
• 通过分别以Kodaikanal和Mt Wilson为参考系列生成的两个复合系列的平均值，生成初步的复合plage面积序列。

实验结果

研究问题

• RQ1 仪器差异、观测程序和数字化方法的系统性差异如何影响历史Ca II K图像中plage面积的测量？
• RQ2 能否在图像质量与处理历史各异的多个档案中实现plage面积估计的一致性？
• RQ3 测光定标与中心-边缘校正对历史数据中plage面积估计准确性有何影响？
• RQ4 来自不同档案的plage面积序列的长期趋势如何比较？需要进行何种修正才能生成统一的复合序列？
• RQ5 何种方法最适合对多个档案的plage面积序列进行交叉定标，以实现可靠的长期太阳辐照度重建？

主要发现

• 不同档案推导出的plage面积序列总体上一致，但存在显著偏差，主要源于仪器与处理差异。
• 准确的测光定标与中心-边缘校正对可靠识别plage至关重要，可减少面积估计误差，并消除对档案特定分割参数调优的依赖。
• Kodaikanal与Mt Wilson档案表现出最稳定的长期记录，可作为其他档案交叉定标的可靠参考。
• Kodaikanal基复合序列与其他档案之间的关系最符合线性关系，而与Mt Wilson基复合序列的关系则更适合用幂律关系拟合。
• 两个复合序列在绝对plage面积水平与长期趋势上存在差异，凸显了在推断太阳活动演化时，必须校正仪器与方法上的非均一性。
• 尽管处理了逾10万张图像，最终复合序列中仍有10,561天缺失数据，表明存在显著的数据空白，未来可通过整合Catania、Coimbra、Kyoto等档案以及Kodaikanal等新数字化资料进一步减少。