[论文解读] On the Formation of Penumbrae as Observed with the German VTT, SOHO/MDI, and SDO/HMI

R. Schlichenmaier, R. Rezaei+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究利用德国真空塔望远镜（VTT）、SOHO/MDI 和 SDO/HMI 的高分辨率观测数据，研究了太阳黑子半影的形成机制。研究发现，半影通过 pores 的合并以及新生双极磁结构的合并而形成，磁通量通过小尺度磁结构的合并而增加；合并过程中形成的光桥会随时间逐渐消失，而半影结构仅在磁场达到足够倾斜度并拥有足够的空间自由度、避免外来磁通量干扰时才会出现。

ABSTRACT

Solar magnetic fields are generated in the solar interior and pop up at the solar surface to form active regions. As the magnetic field appears on the surface, it forms various structures like small magnetic elements, pores, and sunspots. The nature of these formation processes is largely unknown. In this contribution we elaborate on the formation of sunspots and particularly on the formation of penumbrae. We report on observations that we obtained at the German VTT on July 4, 2009 on the formation of the spot in AR 11024. This data set is accomplished with data from SOHO/MDI which offers an entire time coverage. Moreover, the evolution of AR 11024 is compared with a particular event of penumbra formation in AR 11124 around November 13, 2010, using intensity images from SDO/HMI. We conclude that two processes contribute to the increase of the magnetic flux of a sunspot: (1) merging pores, and (2) emerging bipoles of which the spot polarity migrates towards and merges with the spot. As the penumbra forms the area, magnetic flux, and maximum field strength in the umbra stay constant or increase slightly, i.e. the formation of the penumbra is associated with flux emergence and an flux increase of the proto-spot. If two pores merge or if a pore merges with a proto-spot a light bridge is created. This initial light bridge dissolves in the further evolution.

研究动机与目标

• 理解太阳黑子半影形成背后的物理机制，这是太阳物理学中长期存在的难题。
• 研究太阳黑子形成过程中磁通量增加的机制，并探讨其是否与半影发展相关。
• 考察 pores 合并与新生双极结构在活动区演化及光桥形成中的作用。
• 确定半影结构出现的条件，特别是磁场倾角和空间静止状态的作用。
• 分析半影形成前的流动模式，评估其在从 umbra 到 penumbra 对流模式转变中可能的触发作用。

提出的方法

• 德国真空塔望远镜（VTT）在 0.3 角秒分辨率下获取的多波段光谱偏振观测，记录了 2009 年 7 月 4 日 AR 11024 中原黑子的形成过程。
• SOHO/MDI 的连续光度和磁像数据提供了 AR 11024 的完整时间覆盖，用于追踪磁通量演化与黑子发展。
• SDO/HMI 的强度图像用于对比 2010 年 11 月 13 日 AR 11124 的演化，特别关注半影形成与光桥动力学。
• 对 VTT、MDI 和 HMI 的快照序列进行时间序列分析，以追踪 pores 迁移、合并事件以及半影片段的出现。
• 分析磁场拓扑结构与倾角，评估半影对流模式出现的条件。
• 进行流场分析，以检测半影形成前异常流动，特别是与常规 Evershed 流相反的流动。

实验结果

研究问题

• RQ1 在太阳黑子半影形成过程中，哪些物理过程驱动磁通量的增加？
• RQ2 pores 合并与新生双极结构如何促进原黑子的生长及半影结构的发展？
• RQ3 为何半影形成偏好发生在光桥与周围 umbra 的交界处，而在新生磁结构附近被抑制？
• RQ4 特殊反 Evershed 流在启动半影片段形成中起什么作用？
• RQ5 在何种磁场条件下，从 umbra 到 penumbra 对流模式的转变会发生？

主要发现

• 半影通过两个 pores 的合并以及随后来自新生双极结构的磁结构元素的共聚而形成，在半影形成阶段不再发生进一步的 pores 合并。
• 磁通量在形成过程中持续增加，主要归因于 pores 的合并以及来自新生双极结构的磁结构元素的流入。
• 在 pores 合并事件中形成的光桥会随时间逐渐消失，在约 3.5 小时内变得几乎不可见，表明其在演化黑子中的瞬态特性。
• 半影优先在光桥的外端形成，但仅当磁场足够倾斜且未受外来磁通量干扰的空间自由度充分时才会出现。
• 在半影片段形成之前观察到与常规 Evershed 流方向相反的异常流动，尽管其触发机制尚不明确。
• 从 umbra 到 penumbra 对流模式的转变与磁场倾角的临界增加相关，表明半影模式启动存在一个阈值条件。