[论文解读] Solar meridional circulation from twenty-one years of SOHO/MDI and SDO/HMI observations: Helioseismic travel times and forward modeling in the ray approximation

Zhi Chao Liang, L. Gizon+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2018

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 61被引用 10

一句话总结

本研究结合21年SOHO/MDI与SDO/HMI日震数据，采用时间-距离法与射线近似正向建模，测量太阳内部经向环流。研究发现，在太阳活动周23与24期间，南半球呈现一致的单细胞环流模式，存在显著的南北不对称性，且局部流入流的存在使深层环流的解释更加复杂。

ABSTRACT

The south-north travel-time differences are measured by applying time-distance helioseismology to the MDI and HMI medium-degree Dopplergrams covering May 1996-April 2017. Our data analysis corrects for several sources of systematic effects: P-angle error, surface magnetic field effects, and center-to-limb variations. An interpretation of the travel-time measurements is obtained using a forward-modeling approach in the ray approximation. The travel-time differences are similar in the southern hemisphere for cycles 23 and 24. However, they differ in the northern hemisphere between cycles 23 and 24. Except for cycle 24's northern hemisphere, the measurements favor a single-cell meridional circulation model where the poleward flows persist down to $\sim$0.8 $R_\odot$, accompanied by local inflows toward the activity belts in the near-surface layers. Cycle 24's northern hemisphere is anomalous: travel-time differences are significantly smaller when travel distances are greater than 20$^\circ$. This asymmetry between northern and southern hemispheres during cycle 24 was not present in previous measurements (e.g., Rajaguru & Antia 2015), which assumed a different P-angle error correction where south-north travel-time differences are shifted to zero at the equator for all travel distances. In our measurements, the travel-time differences at the equator are zero for travel distances less than $\sim$30$^\circ$, but they do not vanish for larger travel distances. This equatorial offset for large travel distances need not be interpreted as a deep cross-equator flow; it could be due to the presence of asymmetrical local flows at the surface near the end points of the acoustic ray paths.

研究动机与目标

• 利用长期合并的MDI与HMI数据，提高太阳经向环流日震测量的精度。
• 校正系统性效应，包括P角误差、表面磁场影响以及径向传播时间测量中的中心-边缘变化。
• 通过射线近似下的正向建模解释传播时间偏移，推断太阳内部流动结构。
• 研究太阳活动周23与24期间经向环流的时间演化与不对称性。
• 评估近地表局部流入流对全球尺度经向流动信号解释的影响。

提出的方法

• 对SOHO/MDI（1996–2003）与SDO/HMI（2010–2017）的中度数多普勒图应用时间-距离日震学方法，覆盖1996年5月至2017年4月。
• 利用HMI的金星/水星凌日校准与数据重叠期MDI的互相关方法校正P角误差。
• 通过东西向传播时间差异估算中心-边缘变化，并对MDI与HMI分别应用独立校正。
• 采用射线近似下的正向建模方法，将测得的传播时间偏移解释为内部流动的特征。
• 对传播时间偏移进行长期平均以降低噪声，分离出大尺度环流模式。
• 评估系统性不确定度，包括卡林顿旋转轴对齐误差与射线近似中的有限波长效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在太阳活动周23与24期间，太阳内部经向环流如何变化，特别是在南北半球之间是否存在对称性？
• RQ2 近地表局部流入流向活动区的流动在多大程度上会模仿或掩盖传播时间测量中深层经向环流的信号？
• RQ3 P角误差与中心-边缘变化等系统性效应如何影响日震流动测量的准确性？
• RQ4 射线近似能否可靠地模拟远距离日震传播时间偏移？有限波长效应是否显著？
• RQ5 表面磁场对传播时间偏移有何影响？这又如何影响经向流动结构的解释？

主要发现

• 在20°–35°纬度范围内，太阳活动周23与24期间南半球的传播时间差异相似，表明存在稳定的单细胞环流模式。
• 在北半球，太阳活动周23与24期间传播时间差异显著不同，表明经向流动演化存在明显的南北不对称性。
• 除太阳活动周24期间北半球外，多数区域的测量结果支持单细胞经向环流模型，北半球的偏离表明存在复杂的流动动力学。
• 向活动区的局部流入流产生在纬度和传播距离上交替的时间延迟模式，导致测得传播时间出现表观太阳周期变化。
• 传播时间偏移对近地表流入流锚定深度在本研究使用距离范围内的变化不敏感，表明当前数据与方法无法解析更深层的流动结构。
• 由于在2003年中后排除了B₀角较小的MDI数据，卡林顿旋转轴对齐误差的系统性不确定度极小，射线近似误差估计为0.01–0.03秒（短距离）。