[论文解读] On the Role of Acoustic-gravity Waves in the Energetics of the Solar Atmosphere

T. Straus, B. Fleck+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2010

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 4

一句话总结

本研究利用高分辨率的Hinode和SOHO观测数据，重新评估了声重力波在太阳色球层加热中的作用。研究发现，内部重力波在720 km高度处传输的能量通量约为2 kW m⁻²，与色球层的辐射损失相当；而高频声波的能量通量比以往估计高出3–5倍，挑战了先前关于波加热不足的结论。

ABSTRACT

In a recent paper (Straus et al. 2008) we determined the energy flux of internal gravity waves in the lower solar atmosphere using a combination of 3D numerical simulations and observations obtained with the IBIS instrument operated at the Dunn Solar Telescope and the Michelson Doppler Imager (MDI) on SOHO. In this paper we extend these studies using coordinated observations from SOT/NFI and SOT/SP on Hinode and MDI. The new measurements confirm that gravity waves are the dominant phenomenon in the quiet middle/upper photosphere and that they transport more mechanical energy than the high-frequency (> 5mHz) acoustic waves, even though we find an acoustic flux 3-5 times larger than the upper limit estimate of Fossum & Carlsson (2005). It therefore appears justified to reconsider the significance of (non-M)HD waves for the energy balance of the solar chromosphere.

研究动机与目标

• 利用协调的Hinode和SOHO观测，重新评估太阳大气中内部重力波和高频声波的能量通量。
• 通过评估（非-M）HD波，特别是以往被低估的重力波的贡献，解决色球层加热这一长期存在的问题。
• 校正可能使先前声波通量估计产生偏差的仪器效应和谱线形成效应，特别是调制传递函数（MTF）。
• 确定重力波和高频声波是否能共同平衡色球层的辐射损失。
• 利用不同高度的多普勒速度测量，研究波在多个大气层中的传播特性与能量传输。

提出的方法

• 结合SOT/NFI Mg II b 2滤光片图像和MDI Ni I 6768 Å观测的12小时时间序列，时间采样率分别为40 s和60 s，空间分辨率分别为每像素0.32''和0.61''。
• 使用三次样条插值将NFI和MDI数据在时间上对齐，通过蓝/红翼差值法构建多普勒图，并利用波长偏移的滤光片设置进行校准。
• 对多普勒速度立方体进行三维傅里叶变换，计算复傅里叶系数，并在k–ν域分析相位差。
• 通过相位延迟谱计算垂直相速度和群速度，利用高频相位延迟的斜率推断波源层之间的高度差约为600 km。
• 使用公式ρ₀⟨v²⟩v_g,z(k_h,ν)估算重力波能量通量，其中720 km高度处的VAL模型密度为5.97×10⁻⁷ kg m⁻³。
• 对于高频波，通过在分层大气中合成单色波，建立Fe I 6301谱线形成MTF模型，对观测功率谱进行校正以恢复真实通量。

实验结果

研究问题

• RQ1 内部重力波在上层光球层实际携带的能量通量是多少？其是否足以平衡色球层的辐射损失？
• RQ2 Hinode观测到的声波通量与Fossum & Carlsson (2005)提出的上限估计相比如何？
• RQ3 谱线形成效应，特别是调制传递函数（MTF），在多大程度上导致了高频波能量通量测量的偏差？
• RQ4 重力波和高频声波在太阳大气中的传播特性有何不同？它们揭示了怎样的波动力学机制？
• RQ5 在改进的观测和建模约束下，重力波和高频声波的联合能量通量是否能够解释色球层的能量收支？

主要发现

• 在上层光球层720 km高度处，内部重力波携带的能量通量估计为~2 kW m⁻²，与色球层总辐射损失相当。
• 在400 km高度处，5–31 mHz频带的高频声波通量估计为1600 W m⁻²，是Fossum & Carlsson (2005)报告的438 W m⁻²上限的3–5倍。
• Fe I 6301谱线的MTF在5–30 mHz范围内将高频波功率抑制高达两个数量级，表明先前的通量估计显著偏低。
• MTF效应如此强烈，以至于在信噪比依赖的条件下，甚至可能在高频段导致功率谱出现反转，提示光球层中存在复杂的波行为。
• k–ν图中的相位差谱清晰显示重力波区域存在向下相位传播，证实了传播中的内部重力波的存在。
• 本研究结论认为，重力波和高频声波在色球层加热中的作用可能比以往认识的更为重要，有必要重新评估其能量贡献的重要性。