[论文解读] Local Helioseismology of Emerging Active Regions: A Case Study

А. Г. Косовичев, Junwei Zhao+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2016

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 28被引用 5

一句话总结

本研究利用SDO/HMI数据的时间-距离日震学方法，分析了太阳黑子活动区NOAA 11726在形成过程中的太阳内部流动，揭示其磁通量上升速度约为1.4 km/s，且在1–3 Mm深度范围内，黑子下方存在局部汇聚流（0.3 km/s）。研究还发现，在成熟活动区周围形成了大尺度汇聚流和涡旋结构，而在更深层次（10–13 Mm）则呈现发散流，表明太阳内部流动模式可能用于预测活动区的演化。

ABSTRACT

Local helioseismology provides a unique opportunity to investigate the subsurface structure and dynamics of active regions and their effect on the large-scale flows and global circulation of the Sun. We use measurements of plasma flows in the upper convection zone, provided by the Time-Distance Helioseismology Pipeline developed for analysis of solar oscillation data obtained by Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) on Solar Dynamics Observatory (SDO), to investigate the subsurface dynamics of emerging active region NOAA 11726. The active region emergence was detected in deep layers of the convection zone about 12 hours before the first bipolar magnetic structure appeared on the surface, and 2 days before the emergence of most of the magnetic flux. The speed of emergence determined by tracking the flow divergence with depth is about 1.4 km/s, very close to the emergence speed in the deep layers. As the emerging magnetic flux becomes concentrated in sunspots local converging flows are observed beneath the forming sunspots. These flows are most prominent in the depth range 1-3 Mm, and remain converging after the formation process is completed. On the larger scale converging flows around active region appear as a diversion of the zonal shearing flows towards the active region, accompanied by formation of a large-scale vortex structure. This process occurs when a substantial amount of the magnetic flux emerged on the surface, and the converging flow pattern remains stable during the following evolution of the active region. The Carrington synoptic flow maps show that the large-scale subsurface inflows are typical for active regions. In the deeper layers (10-13 Mm) the flows become diverging, and surprisingly strong beneath some active regions. In addition, the synoptic maps reveal a complex evolving pattern of large-scale flows on the scale much larger than supergranulation.

研究动机与目标

• 利用高分辨率日震数据，研究NOAA 11726活动区形成期间的太阳内部流动动力学。
• 通过时间延迟波传播时间，确定磁通量上升速度及其随深度的演化特征。
• 分析在新生活动区周围汇聚与发散流动模式的形成与稳定性。
• 评估大尺度太阳内部流动结构是否与未来活动区演化相关。
• 研究太阳内部流动与活动区以外大尺度磁场分布之间的关系。

提出的方法

• 应用时间-距离日震学方法分析SDO/HMI太阳振荡数据，测量声波的传播时间差。
• 利用时间-距离日震学流水线生成1–13 Mm深度范围内的深度分辨流动图。
• 通过分析42–55 Mm和62–75 Mm深度层之间的信号延迟，追踪流动的发散与汇聚模式。
• 对合成流动图应用高斯滤波，以分离出超 granulation 尺度以外的大尺度流动。
• 将太阳内部流动模式与表面磁场观测及卡林顿周期合成图进行比较。
• 分析流动螺旋度及其与经向环流和超 granulation 流的关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 NOAA 11726中磁通量的太阳内部上升速度是多少？其随深度如何变化？
• RQ2 在新生黑子和成熟活动区下方，汇聚与发散流动模式如何演化？
• RQ3 在新生活动区周围形成了哪些大尺度流动结构？它们在何时出现？
• RQ4 深层太阳内部流动模式（如10–13 Mm深度的发散）是否能预测未来活动区的生长或演化？
• RQ5 太阳内部流动与活动区以外的大尺度磁场之间存在何种相关性？

主要发现

• NOAA 11726中磁通量的上升速度约为1.4 km/s，该速度在深层（62–75 Mm）和中间层（42–55 Mm）保持一致。
• 在新生黑子下方形成了约0.3 km/s的局部汇聚流，最显著出现在1–3 Mm深度范围，且在黑子形成后仍持续存在。
• 在成熟活动区周围形成大尺度汇聚流，可使纬向剪切流偏转，并在磁通量显著上升时形成涡旋结构。
• 在更深层次（10–13 Mm）以发散流为主，部分活动区（包括NOAA 11726）下方观察到强烈的发散现象。
• 合成流动图显示，大尺度太阳内部流入流在其他活动区中普遍存在，并与活动区外的大尺度磁场分布相关。
• NOAA 11726中深层发散流模式出现在下一个卡林顿周期之前，预示该区域将发展为大型活动区（NOAA 11745），表明其具有预测潜力。