[论文解读] Latitudinal structure and dynamic of the photospheric magnetic field

E. Gavryuseva|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2018

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 17被引用 3

一句话总结

本研究分析了1976年至2007年Wilcox太阳天文台的31年数据，揭示了太阳光球磁场存在一个稳定的四区纬向结构，其极性波每2–3年从赤道向两极传播。关键发现是南北磁场不对称性呈现出同步的准22年周期性，证实了太阳磁场动力学在三个太阳周期内的长期组织性。

ABSTRACT

Analysis of the structure and dynamics of the magnetic field of the Sun is fundamental for understanding of the origin of solar activity and variability as well as for the study of solar-terrestrial relations. Observations of the large scale magnetic field in the photosphere taken at the Wilcox Solar Observatory from 1976 up to 2007 have been analysed to deduce its latitudinal and longitudinal structures, its differential rotation, and their variability in time. This paper is dedicated to the analysis and dynamics of the latitudinal structure of the solar magnetic field over three solar cycles 21, 22, 23. The main results discussed in this paper are the following: the large scale latitudinal structure is antisymmetric and composed of four zones with boundaries located at the equator, -25 and + 25 degrees, stable over 10-11 years with a time delay of about 5-6 years in near-equatorial zones. The variability and North-South asymmetry of polarity waves running from the equator to the poles with 2-3 - year period was studied in detail.

研究动机与目标

• 理解光球磁场（SMF）在三个太阳周期内的长期纬向结构与动力学特征。
• 研究从赤道向两极传播的极性波的起源及其周期性。
• 量化南北半球SMF变异性之间的南北不对称性及其时间相关性。
• 确定大尺度磁场结构在多个太阳周期内是否稳定，以及其与太阳活动的关系。

提出的方法

• 分析Wilcox太阳天文台1976–2007年间的日均视线磁图，覆盖太阳周期21、22和23。
• 对卡林顿旋转周期（CR）和年份的SMF强度与极性进行平均，以识别稳定的纬向模式。
• 使用滤波磁场（FMF）分离短期变异性，并研究南北半球之间的同步性。
• 计算对称纬度处南北半球磁场变异性之间的互相关系数，时间延迟达22年。
• 应用相位重构与傅里叶分析，检测磁场动力学中的周期性。
• 可视化磁场强度与极性在纬度与时间上的分布，包括类似蝴蝶图的图表和相关性图。

实验结果

研究问题

• RQ1 光球磁场的长期纬向结构是什么？它在多个太阳周期内是否稳定？
• RQ2 极性波是否从赤道向两极传播？其周期与空间演变特征如何？
• RQ3 太阳磁场的南北不对称性在时间上如何关联？其相关性中浮现了哪些周期性？
• RQ4 在对称纬度处，南北半球磁场变异性之间是否存在一致的相位关系？
• RQ5 中等强度磁场（5–2000 μT）在生成观测到的波状结构中起什么作用？

主要发现

• 光球磁场表现出一个稳定的四区纬向结构，边界位于±25°和赤道，持续10–11年，近赤道区域存在5–6年的时移。
• 极性波以准2年周期从赤道向两极传播，在全部三个太阳周期中均可见。
• 在南北半球磁场变异性相关性中观察到强烈的22年周期性，尤其在四区结构的纬向边界附近。
• 在对称纬度（θ与−θ）处，短期FMF变异性具有高度相关性（r > 0.9），出现在1.8、9.4、11.7、20和22年，表明动力学同步。
• 滤波磁场（FMF）显示，南北同步的2年周期性在29年数据中显著且稳健。
• 四区结构与波状动力学主要由中等强度磁场（5–2000 μT）驱动，经近期分析（Gavryuseva, 2008a）证实。