[论文解读] Properties of sunspots in cycle 23: I. Dependence of brightness on sunspot size and cycle phase

Shibu K. Mathew, V. Mart ́ õnez Pillet+2 more|ArXiv.org|Jan 13, 2007

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 32被引用 63

一句话总结

本研究利用太阳活动第23周期期间的高分辨率MDI/SOHO连续谱图像，分析了超过160个黑子，以探究本影和半影亮度如何随黑子尺寸和太阳周期相位变化。经过严格的杂散光和塞曼效应修正后，作者发现亮度在太阳周期相位上无显著变化，但本影核心存在强烈的尺寸依赖性变暗——尺寸越小的黑子越明亮，暗示能量传输机制随磁结构尺寸发生根本性变化。

ABSTRACT

In this paper we investigate the dependence of umbral core brightness, as well as the mean umbral and penumbral brightness on the phase of the solar cycle and on the size of the sunspot. Albregtsen & Maltby (1978) reported an increase in umbral core brightness from the early to the late phase of solar cycle from the analysis of 13 sunspots which cover solar cycles 20 and 21. Here we revisit this topic by analysing continuum images of more than 160 sunspots observed by the MDI instrument on board the SOHO spacecraft for the period between 1998 March to 2004 March, i.e. a sizable part of solar cycle 23. The advantage of this data set is its homogeneity, with no seeing fluctuations. A careful stray light correction, which is validated using the Mercury transit of 7th May, 2003, is carried out before the umbral and penumbral intensities are determined. The influence of the Zeeman splitting of the nearby NiI spectral line on the measured 'continuum' intensity is also taken into account. We did not observe any significant variation in umbral core, mean umbral and mean penumbral intensities with solar cycle, which is in contrast to earlier findings for the umbral core intensity. We do find a strong and clear dependence of the umbral brightness on sunspot size, however. The penumbral brightness also displays a weak dependence. The brightness-radius relationship has numerous implications, some of which, such as those for the energy transport in umbrae, are pointed out.

研究动机与目标

• 利用更大、更一致的数据集重新审视关于周期相位依赖性本影亮度变化的争议性主张。
• 解决早期研究中相互矛盾的结果，包括Norton & Gilman（2004）的研究，后者在未进行杂散光修正的情况下报告了太阳极大期附近亮度最低的现象。
• 将本影和半影亮度对黑子尺寸的真实依赖关系与周期相位分离，实现独立分析。
• 通过2003年水星凌日事件验证并应用先进的杂散光修正方法，确保强度测量的准确性。
• 评估附近Ni I谱线塞曼分裂对MDI数据中连续谱强度测量的影响。

提出的方法

• 从1998年至2004年MDI全圆盘连续谱图像中选取234个黑子，且太阳位置角μ > 0.94，以最小化边缘效应。
• 将分析范围限制在164个本影半径介于5″至15″之间的黑子，以便与Maltby等（1986）的研究结果进行直接比较。
• 采用傅里叶域去卷积法并结合加权恢复技术，校正仪器点扩散函数，并最小化吉布斯振铃效应。
• 利用2003年5月7日水星凌日观测数据校准并验证杂散光修正，使核心强度测量精度达到2%以内。
• 对Ni I 6768 Å谱线的塞曼分裂效应进行修正，该效应可能污染连续谱强度测量结果。
• 利用推导出的扩展函数进行模拟，确认观测到的亮度-尺寸趋势是真实的，而非杂散光造成的伪影。

实验结果

研究问题

• RQ1 本影核心亮度在太阳活动第23周期内是否随周期相位发生显著变化？
• RQ2 本影和半影的平均亮度如何依赖于黑子尺寸？
• RQ3 先前报道的本影亮度周期相位依赖性是否源于未校正的杂散光或仪器效应？
• RQ4 Ni I谱线的塞曼分裂在多大程度上影响MDI数据中测量的连续谱强度？
• RQ5 观测到的亮度-尺寸关系是否可由杂散光污染解释，还是反映了真实的物理趋势？

主要发现

• 在太阳活动第23周期内，本影核心亮度、平均本影亮度或平均半影亮度均未发现显著变化，与早期关于周期相位依赖性的主张相矛盾。
• 观测到本影亮度与黑子尺寸之间存在强烈而清晰的依赖关系：尺寸较小的本影显著比尺寸较大的本影更明亮。
• 半影亮度对尺寸的依赖关系较弱，但其趋势不如本影明显。
• 通过水星凌日验证了杂散光修正效果，确认核心强度恢复精度在2%以内，相似尺寸黑子的平均强度恢复精度在10%以内。
• 模拟结果证实，观测到的亮度-尺寸关系是真实的物理现象，而非杂散光造成的伪影，尤其在考虑反向尺寸-亮度趋势时更为显著。
• 亮度-半径关系暗示，本影中能量传输机制可能随磁结构尺寸而变化，表明对流抑制或磁场强度标度关系可能存在根本性改变。