[论文解读] Magnetic properties of a long-lived sunspot - Vertical magnetic field at the umbral boundary

Markus Schmassmann, R. Schlichenmaier+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2018

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 20被引用 6

一句话总结

本研究利用SDO/HMI数据，调查了长寿命黑子（NOAA AR 11591）本影边界处垂直磁场（$B_{\text{ver}}$）的时间稳定性。结果表明，沿$I_c = 0.5I_{\text{qs}}$等高线平均的$B_{\text{ver}}$在10天内几乎保持恒定，稳定在1693 G，支持Jurčák准则，即本影边界可等价地由连续谱亮度或垂直磁场强度定义，且通过修正形成高度可进一步改善等高线对齐。

ABSTRACT

Context. In a recent statistical study of sunspots in 79 active regions, the vertical magnetic field component $B_ ext{ver}$ averaged along the umbral boundary is found to be independent of sunspot size. The authors of that study conclude that the absolute value of $B_ ext{ver}$ at the umbral boundary is the same for all spots. Aims. We investigate the temporal evolution of $B_ ext{ver}$ averaged along the umbral boundary of one long-lived sunspot during its stable phase. Methods. We analysed data from the HMI instrument on-board SDO. Contours of continuum intensity at $I_ ext{c}=0.5I_ ext{qs}$, whereby $I_ ext{qs}$ refers to the average over the quiet sun areas, are used to extract the magnetic field along the umbral boundary. Projection effects due to different formation heights of the Fe I 617.3 nm line and continuum are taken into account. To avoid limb artefacts, the spot is only analysed for heliocentric angles smaller than $60^{\circ}$. Results. During the first disc passage, NOAA AR 11591, $B_ ext{ver}$ remains constant at 1693 G with a root-mean-square deviation of 15 G, whereas the magnetic field strength varies substantially (mean 2171 G, rms of 48 G) and shows a long term variation. Compensating for formation height has little influence on the mean value along each contour, but reduces the variations along the contour when away from disc centre, yielding a better match between the contours of $B_ ext{ver}=1693$ G and $I_ ext{c}=0.5I_ ext{qs}$. Conclusions. During the disc passage of a stable sunspot, its umbral boundary can equivalently be defined by using the continuum intensity $I_ ext{c}$ or the vertical magnetic field component $B_ ext{ver}$. Contours of fixed magnetic field strength fail to outline the umbral boundary.

研究动机与目标

• 测试在长寿命太阳黑子的稳定阶段，垂直磁场分量（$B_{\text{ver}}$）是否沿本影边界保持恒定。
• 评估$I_c = 0.5I_{\text{qs}}$等高线（连续谱亮度）与$B_{\text{ver}}$等高线是否可等价地用于定义本影边界。
• 评估Fe I 617.3 nm谱线与连续谱不同形成高度导致的投影效应，对$B_{\text{ver}}$测量的影响。
• 验证Jurčák准则，即$|B_{\text{ver}}|$在所有太阳黑子中恒定，并定义本影边界。

提出的方法

• 分析NOAA AR 11591首次过盘期间的1063组SDO/HMI数据集（12分钟采样率），限制在日心角小于60°以避免边缘效应。
• 使用$I_c = 0.5I_{\text{qs}}$等高线（其中$I_{\text{qs}}$为宁静太阳亮度）定义本影边界以进行磁场分析。
• 应用高度修正（$\Delta h = 465$ km）以补偿谱线与连续谱不同形成高度的影响，提高投影精度。
• 沿$I_c = 0.5I_{\text{qs}}$等高线计算时间平均的$B_{\text{ver}}$，并使用均方根偏差（$\sigma_t$）量化其时间稳定性。
• 使用距离度量（$\left<d\right>_{\psi,t}$）对$B_{\text{ver}}$与$I_c$等高线进行统计比较，以确定最佳匹配水平。
• 采用贝叶斯线性回归评估恒定$|B_{\text{ver}}|$模型是否比对数面积的多项式模型更优。

Figure 1: Mean magnetic field strength $\left<|B|\right>_{\psi}(t)$ in black (it’s vertical component $\left<B_{\text{ver}}\right>_{\psi}(t)$ in blue) along the $I_{\text{c}}=0.5I_{\text{qs}}$ contour, with $\Delta h=465\,\text{km}$ accounted for, Sinusodial fits and the residuals for NOAA AR 11591.

实验结果

研究问题

• RQ1 在稳定太阳黑子的本影边界上，垂直磁场分量$B_{\text{ver}}$是否随时间保持恒定？
• RQ2 本影边界是否可等价地由$I_c = 0.5I_{\text{qs}}$或固定$B_{\text{ver}}$值定义？
• RQ3 Fe I 617.3 nm谱线与连续谱不同形成高度导致的投影效应，如何影响本影边界处测量的$B_{\text{ver}}$？
• RQ4 观测到的$B_{\text{ver}}$恒定性是否支持Jurčák准则，即$|B_{\text{ver}}|$是不同太阳黑子中本影边界的普遍定义？

主要发现

• 沿$I_c = 0.5I_{\text{qs}}$等高线的时间平均$B_{\text{ver}}$在10天内保持恒定在1693 G，均方根偏差仅为15 G。
• $I_c$与$B_{\text{ver}}$等高线的最佳匹配出现在$I_c = 0.53I_{\text{qs}}$与$|B_{\text{ver}}| = 1639$ G，证实$I_c = 0.5I_{\text{qs}}$是定义本影边界的近似最优选择。
• 忽略形成高度修正（$\Delta h = 0$）会使$B_{\text{ver}}$沿等高线的波动增加30%以上，导致$I_c$与$B_{\text{ver}}$等高线匹配度下降。
• 本研究证实，沿本影边界的$B_{\text{ver}}$时间平均值具有稳定性，支持Jurčák准则，即$|B_{\text{ver}}|$是稳定太阳黑子的普遍边界定义。
• 观测到的$B_{\text{ver}}$值1693 G与Jurčák等人（2018）统计值1867 G一致，差异归因于仪器分辨率和填充因子效应。
• 固定$B_{\text{ver}}$强度的等高线无法准确勾勒出本影边界，而$I_c = 0.5I_{\text{qs}}$与$B_{\text{ver}} = 1693$ G等高线高度吻合，证实二者等价。

Figure 2: As Fig. 1 , but from contours at $I_{\text{c}}=0.4I_{\text{qs}}$ .