[论文解读] Solar-Cycle Variation of quiet-Sun Magnetism and Surface Gravity Oscillation Mode

M. J. Korpi, A. Lagg+2 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2022

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 33被引用 14

一句话总结

本研究利用12年SOHO/HMI数据，调查了宁静太阳（QS）磁性及表面重力f模能量的太阳周期变化。研究开发了一套自动化流程，用于识别最安静的区域并计算f模能量，揭示了与太阳周期存在相位偏移的反相关性——f模能量在太阳活动周24末期达到峰值，并持续下降至2017年，此后在高纬度区域出现增强，表明其与大尺度偶极磁场而非环向磁场或局部发电机作用存在关联。

ABSTRACT

The origin of the quiet Sun magnetism is under debate. Investigating the solar cycle variation observationally in more detail can give us clues about how to resolve the controversies. We investigate the solar cycle variation of the most magnetically quiet regions and their surface gravity oscillation ($f$-) mode integrated energy ($E_f$). We use 12 years of HMI data and apply a stringent selection criteria, based on spatial and temporal quietness, to avoid any influence of active regions (ARs). We develop an automated high-throughput pipeline to go through all available magnetogram data and to compute $E_f$ for the selected quiet regions. We observe a clear solar cycle dependence of the magnetic field strength in the most quiet regions containing several supergranular cells. For patch sizes smaller than a supergranular cell, no significant cycle dependence is detected. The $E_f$ at the supergranular scale is not constant over time. During the late ascending phase of Cycle 24 (SC24, 2011-2012), it is roughly constant, but starts diminishing in 2013, as the maximum of SC24 is approached. This trend continues until mid-2017, when hints of strengthening at higher southern latitudes are seen. Slow strengthening continues, stronger at higher latitudes than at the equatorial regions, but $E_f$ never returns back to the values seen in 2011-2012. Also, the strengthening trend continues past the solar minimum, to the years when SC25 is already clearly ascending. Hence the $E_f$ behavior is not in phase with the solar cycle. The anticorrelation of $E_f$ with the solar cycle in gross terms is expected, but the phase shift of several years indicates a connection to the poloidal large-scale magnetic field component rather than the toroidal one. Calibrating AR signals with the QS $E_f$ does not reveal significant enhancement of the $f$-mode prior to AR emergence.

研究动机与目标

• 调查太阳最磁性安静区域中磁扰动的太阳周期依赖性。
• 量化在完整太阳周期内，这些宁静太阳区域中表面重力f模能量（Ef）的时间演化。
• 开发一种稳健、自动化的f模能量校准方法，利用最安静的QS斑块评估活动区（AR）前兆信号。
• 检验f模能量在活动区形成前数日内是否表现出可检测的增强，以QS为基线。

提出的方法

• 使用2010–2022年SOHO/SDO的12年HMI全盘视 line-of-sight（LOS）磁图与多普勒图。
• 应用严格的空间与时间筛选标准，隔离出磁性最安静的区域，排除活动区（ARs）及其影响。
• 开发了一套自动化、高吞吐量的流程，处理所有可用磁图数据，并为选定的安静斑块计算Ef。
• 通过空间与时间平均，提高信噪比并降低变异性。
• 将活动区f模能量信号与QS基线进行校准，以评估前发生成增强。
• 采用纬度与时间分辨的平均方法，追踪Ef在太阳周期24与25各阶段及不同太阳纬度上的演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 最安静太阳区域中的磁场强度是否随太阳周期变化？
• RQ2 宁静太阳区域中表面重力f模能量（Ef）如何随太阳周期演化？
• RQ3 当以QS为基线时，活动区（AR）形成前数日内f模能量是否表现出可检测的增强？
• RQ4 Ef变化的相位与大尺度太阳磁场分量（偶极场与环向场）之间存在何种关系？
• RQ5 观测到的Ef变化在多大程度上受仪器效应或分辨率限制的影响？

主要发现

• 在包含多个超granular细胞的最安静区域中，磁场强度表现出明显的太阳周期依赖性，从2011–2012年到2013年随太阳周期24接近极大值而减小。
• 对于小于一个超granular细胞尺寸的斑块，未检测到显著的太阳周期依赖性，可能由于HMI的空间分辨率与磁敏感度限制。
• 在太阳周期24的后期上升相（2011–2012年），超granular尺度的Ef保持大致恒定，但从2013年起开始下降，并持续至2017年年中。
• 2017年年中以后，Ef出现缓慢增强，尤其在南半球高纬度区域，但即使在太阳活动极小期及太阳周期25上升相期间，也未恢复到2011–2012年的水平。
• 太阳周期与Ef变化之间存在数年的相位偏移，表明其与大尺度偶极磁场的关联性更强，而非环向磁场。
• 当以QS基线校准后，活动区f模信号仅表现出微弱且短暂的增强，其幅度与自然QS变异性相当或更小，因此通过f模增强可靠预测活动区出现的可能性较低。