[论文解读] Similarities of magnetoconvection in the umbra and in the penumbra of sunspots

B. Löptien, A. Lagg+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2021

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 54被引用 7

一句话总结

本研究利用太阳探针/Hinode/SOT观测，比较了两个白光斑中 umbra 和 penumbra 区域的 umbral dots 与 penumbral filaments，发现其物理特性在 umbra-penumbra 边界处表现出强烈相似性。结果表明，该边界处亮度急剧增加并非源于对流单元密度的不连续性，而是由于 penumbra 中较大、更明亮的纤维结构因磁场几何形态变化（特别是垂直分量减弱和倾角增加）导致的对流效率提升。

ABSTRACT

Context. It is unclear why there is a rather sharp boundary in sunspots between the umbra and the penumbra. Both regions exhibit magnetoconvection, manifesting in penumbral filaments in the penumbra and in umbral dots in the umbra. Aims. Here we compare the physical properties of umbral dots and penumbral filaments. Our goal is to understand how the properties of these convective features change across the boundary between the umbra and the penumbra and how this is related to the rapid increase in brightness at the umbra-penumbra boundary. Methods. We derived ensemble averages of the physical properties of different types of convective features based on observations of two sunspots with Hinode. Results. There are strong similarities between the convective features in the outer parts of the umbra and the ones in the penumbra, with most physical parameters being smooth and continuous functions of the length of the features. Conclusions. Our results indicate that the transition in brightness from the umbra to the penumbra is solely caused by an increased effectiveness of magnetoconvection within individual convective cells. There is no significant difference in the number density of convective elements between the outer umbra and the inner penumbra. Penumbral filaments exhibit a larger area and a higher brightness compared to umbral dots. It is still unclear, how exactly the underlying magnetic field causes the increase in size and brightness of convective features in the penumbra.

研究动机与目标

• 理解 umbra-penumbra 边界处 umbral dots 与 penumbral filaments 的物理差异。
• 研究 umbra-penumbra 边界处亮度急剧增加是否源于对流单元密度的不连续性，或源于单个特征属性的变化。
• 确定磁场结构（强度与倾角）如何影响太阳黑子中对流特征的尺寸、亮度与流动特性。
• 评估 umbra-penumbra 边界是否如先前所建议的那样，由垂直磁场强度的阈值定义。
• 研究磁场几何形态在从紧凑的 umbral dots 向拉长的 penumbral filaments 转变过程中的作用。

提出的方法

• 利用 Hinode/SOT/SP 以 0.16′′ 的空间采样率获取两个太阳黑子（AR 10923 和 AR 10933）的高分辨率光谱偏振观测数据。
• 在 LTE 假设下，使用 SPINOR 代码对 Stokes 参数进行空间耦合反演，光学深度节点设为 log τ = −2.5, −0.9, 0。
• 采用非势场磁场计算（NPFC）方法解决磁场方位角 180° 的模糊性问题。
• 根据位置、形状与流动特性，将对流特征分类为中央 umbral dots（CUDs）、外围 umbral dots（PUDs）以及 penumbral filaments（内 penumbra 和外 penumbra）。
• 对每类特征沿太阳黑子中心轴应用集合平均，推导其平均物理属性（亮度、磁场、速度、倾角）。
• 将特征属性（长度、亮度、速度）与局部磁场参数（Bz 和倾角 γ）进行相关分析，同时考虑观测分辨率与噪声限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 umbral dots 与 penumbral filaments 的物理属性在 umbra-penumbra 边界处是突然变化还是连续变化？
• RQ2 umbra-penumbra 边界处亮度的急剧增加是否由对流单元数量密度的不连续性引起？
• RQ3 磁场强度（Bz）与倾角（γ）的变化在多大程度上解释了 penumbral filaments 相较于 umbral dots 的尺寸增大与亮度提升？
• RQ4 能否如 Jurčák 等人（2018）所提出的那样，用固定的垂直磁场强度阈值来解释 umbra-penumbra 边界？
• RQ5 对流特征内部的流动速度与磁场几何形态在边界处如何变化，其在能量传输中扮演何种角色？

主要发现

• 外 umbra 中的 umbral dots 与内 penumbra 中的 penumbral filaments 的物理属性表现出强烈相似性，多数参数在 umbra-penumbra 边界处平滑变化。
• penumbral filaments 的面积显著大于 umbral dots，亮度更高，视向速度更大（高达 ~3000 m/s），且磁场倾角更强。
• 在外 umbra 与内 penumbra 之间，对流单元的数量密度无显著不连续性，排除了密度变化作为亮度跃迁原因的可能性。
• umbra-penumbra 边界处的亮度增加主要源于单个 penumbral filaments 对流效率的提升，而非对流单元数量的变化。
• 对流特征的长度与亮度与垂直磁场强度（Bz）降低和磁场倾角（γ）增加密切相关，尽管本研究中两者无法独立分离。
• 边界处 Bz 或 γ 无明显不连续性，且特征属性平滑变化，表明 penumbra 是由磁场几何形态与强度的共同作用逐渐形成的。