[论文解读] Rotation of the photospheric magnetic field through solar cycles 21, 22, 23

E. Gavryuseva|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2018

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 1被引用 5

一句话总结

本研究分析了30年来威尔克斯太阳观测站的数据，揭示了光球磁场（SMF）在高纬度区域表现出差速旋转，并具有独特的11年周期调制，其中在太阳活动极小期旋转趋于刚性，而在磁极反转期间则加速。研究结果证实了从两极向赤道传播的扭转波的存在，且两半球同步，低纬度区域呈现5–6年的准周期性，表明其对太阳发电机机制和日球层结构具有深层影响。

ABSTRACT

Rotation of the large scale solar magnetic field has a great importance for the understanding of solar dynamic, for the search of longitidinal structure and for the study of solar-terrestrial relations. 30-year long observations taken at the Wilcox Solar Observatory (USA) in 21-23 cycles have been analysed carefully to deduce magnetic field rotation rate at different latitudes in both hemispheres and its variability in time. The WSO data appear to indicate that additionally to the differential rotation along the latitudes there are running waves of fast rotation of the magnetic field. These torsional waves are running from the poles to the equator with a period of 11 years. The rotation of the magnetic field (RMF) is almost rigid at latitudes above 55 degrees in both hemispheres. The rotation rate in the sub-polar regions is slower when the magnetic field is strong there (during minima of solar activity), and faster when the magnetic field changes polarity (during maxima of solar activity).

研究动机与目标

• 利用长期观测数据，研究太阳周期21–23期间大尺度光球磁场（SMF）的差速旋转特性。
• 识别SMF旋转速率中与太阳活动周期相关的时序调制，尤其关注高纬度区域。
• 确定SMF旋转中是否存在类似扭转波的模式，并分析其与太阳周期相位的相关性。
• 将SMF旋转与光球等离子体旋转进行比较，评估其对太阳发电机理论和日球层结构的启示。
• 评估不同数据时长和纬度下，使用FFT和自相关法测量旋转速率的一致性。

提出的方法

• 使用来自威尔克斯太阳观测站（WSO）的29年全圆盘磁像，覆盖太阳周期21–23，空间分辨率为5°经度和sin(θ)纬度。
• 应用快速傅里叶变换（FFT）和自相关技术，从各纬度及时间序列中提取旋转周期。
• 计算完整的29年数据集和较短的40个卡林顿旋转（≈3年）子集的旋转周期，以评估时变性。
• 利用FFT和自相关法绘制平均旋转周期随纬度的变化图，误差棒反映数据分辨率和统计不确定性。
• 分析旋转周期相对于平均值的偏离，以检测周期性调制，特别是11年和5–6年振荡。
• 通过FFT与自相关法交叉验证结果，确保一致性并提高准确性，尤其在高纬度区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在太阳周期21–23期间，大尺度光球磁场的旋转速率如何随纬度变化？
• RQ2 SMF旋转速率是否存在与11年太阳周期相关的周期性调制，特别是在高纬度区域？
• RQ3 SMF旋转中的扭转波状模式是否从两极向赤道传播？其与等离子体和日震学观测结果相比如何？
• RQ4 为何SMF在高纬度区域（>55°）的旋转比光球等离子体更刚性？这对磁通量输运意味着什么？
• RQ5 次光球层SMF的旋转周期与表面测量值相比如何？这揭示了太阳内部动力学的哪些信息？

主要发现

• 在两个半球的高纬度区域（>55°），光球磁场表现出刚性旋转，其旋转周期比低纬度区域缩短0.5–0.7天（1.7–2.3%）。
• SMF旋转速率在太阳活动极小期（磁场较强时）较慢，而在磁极反转期（极大期）较快，显示出明显的11年周期调制。
• 在SMF旋转速率中观测到扭转波，其传播方向从两极向赤道，周期约为11年，FFT与自相关法均予以证实。
• 在低纬度活跃区和赤道前区域，检测到旋转速率变化的5–6年准周期性，且两半球同步。
• SMF在高纬度区域的旋转比光球等离子体更刚性，表明磁通量可能在数周时间尺度内从深层区域（如对流层底部附近）补充。
• 结果与日震学发现一致，表明扭转振荡贯穿对流包层并关联于较差旋转层，其亚表层旋转变化具有1.3年周期。