[论文解读] Spectroscopy at the solar limb: I. Average off-limb profiles and Doppler shifts of Ca II H

C. Beck, R. Rezaei|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 65被引用 7

一句话总结

本研究利用自适应光学校正的狭缝光谱仪数据，对太阳边缘附近的Ca ii H线进行了高信噪比的旁侧光谱观测，以分析平均离盘轮廓和多普勒速度偏移。研究发现，线轮廓在太阳边缘以上2 Mm以内呈现对称展宽并逐渐变宽，随后在5 Mm处转变为单一高斯轮廓；同时识别出在明亮区域两侧呈现相反极性的系统性多普勒速度偏移，表明磁通量管中的螺旋波运动是日冕过渡区动力学的关键机制。

ABSTRACT

We present constraints on the structure of the chromosphere from observations of the Ca II H line profile near and off the solar limb. We obtained a data set of the Ca II H line in a field of view extending 20" across the limb. We analyzed the spectra for the properties of off-limb spectra. We used tracers of the Doppler shifts, such as the location of the absorption core, the ratio of the two emission peaks H2V and H2R, and intensity images at a fixed wavelength. The average off-limb profiles show a smooth variation with increasing limb distance. The line width increases up to a height of about 2 Mm above the limb. The profile shape is fairly symmetric with nearly identical H2V and H2R intensities; at a height of 5 Mm, it changes into a single Gaussian without emission peaks. We find that all off-limb spectra show large Doppler shifts that fluctuate on the smallest resolved spatial scales. The variation is more prominent in cuts parallel to the solar limb than on those perpendicular to it. As far as individual structures can be unequivocally identified at our spatial resolution, we find a specific relation between intensity enhancements and Doppler shifts: elongated brightenings are often flanked all along their extension by velocities in opposite directions. The average off-limb spectra of Ca II H present a good opportunity to test static chromospheric atmosphere models because they lack the photospheric contribution that is present in disk-center spectra. We suggest that the observed relation between intensity enhancements and Doppler shifts could be caused by waves propagating along the surfaces of flux tubes: an intrinsic twist of the flux tubes or a wave propagation inclined to the tube axis would cause a helical shape of the Doppler excursion, visible as opposite velocity at the sides of the flux tube.

研究动机与目标

• 通过离盘Ca ii H线轮廓改进对太阳色球层热力学结构的观测约束。
• 通过在太阳边缘上方观测以消除光球层污染，因为视线积分避开了光球层。
• 研究色球层结构中亮度增强与多普勒速度偏移之间的关系，以推断其潜在的动力学机制。
• 利用未受光球层贡献污染的平均离盘光谱，检验静态色球层大气模型。
• 通过多普勒速度偏移模式区分磁通量管中的不同波模式（如螺旋波与驻波模式）。

提出的方法

• 2009年在德国真空塔望远镜（VTT）使用POLIS仪器获取了Ca ii H线的高信噪比、中等分辨率狭缝光谱仪数据。
• 应用实时自适应光学（KAOS）校正大气畸变，尽管狭缝方向垂直于太阳边缘，仍实现了高空间分辨率。
• 利用多种多普勒速度追踪方法分析平均谱和单个谱：核心深度位置、发射峰强度比（H2V/H2R）以及固定波长下的亮度图像。
• 使用2010年观测活动的时间序列数据评估时间演化与特征识别，尽管未完全校正杂散光影响。
• 将观测到的多普勒速度偏移模式与磁通量管中波传播的理论模型进行比较，特别区分螺旋波模式与驻波模式。
• 利用一个公开的数据集（41 MB）供社区使用，并用于未来模型和分析技术的验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 平均Ca ii H线轮廓在太阳边缘上方不同高度如何变化？它们揭示了色球层结构的哪些信息？
• RQ2 离盘光谱中观测到的多普勒速度偏移的性质是什么？它们与亮度增强之间有何相关性？
• RQ3 观测到的速度模式是否可用沿扭曲磁通量管传播的螺旋波来解释？
• RQ4 观测到的多普勒速度偏移模式与驻波模式振荡的预期模式有何不同？
• RQ5 平均离盘光谱在多大程度上可用于检验静态色球层大气模型？

主要发现

• 平均离盘Ca ii H轮廓在太阳边缘以上约2 Mm以内呈现平滑的线宽增加，表明热运动或湍流运动增强。
• 在5 Mm高度处，线轮廓从双峰结构转变为单一高斯轮廓，提示主导发射机制或大气条件发生变化。
• 所有离盘光谱在最小可分辨空间尺度上均表现出大范围且波动的多普勒速度偏移，且在平行于太阳边缘的切片中观测到更强的波动。
• 拉长的明亮区域在其全长范围内始终被相反极性的多普勒速度偏移所包围，表明存在横向速度结构。
• 观测到的速度模式——明亮区域两侧相反的偏移——支持螺旋波模式或扭曲磁通量管振荡，而非驻波模式振荡。
• 该数据集在线公开，为非局部热动平衡（non-LTE）模型的测试以及未来像Solar-C任务这类高时间分辨率光谱观测的验证提供了宝贵资源。