[论文解读] Temporal evolution of the Evershed flow in sunspots. II. Physical properties and nature of Evershed clouds

D. Cabrera Solana, L. R. Bellot Rubio+2 more|ArXiv.org|Sep 11, 2007

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 23被引用 3

一句话总结

该论文提出，Evershed云（ECs）是由于局部压力和密度扰动导致局部光谱通量管可见度暂时增加所致，而非磁场结构的变化。对高分辨率谱偏振数据进行的未解缠Stokes反演表明，ECs并非磁异常，而是由于上部通量管压力降低导致光学深度标度下移，从而增强了通量管的可见度，解释了其多普勒速度增强及沿本影纤维的运动。

ABSTRACT

Context: Evershed clouds (ECs) represent the most conspicuous variation of the Evershed flow in sunspot penumbrae. Aims: We determine the physical properties of ECs from high spatial and temporal resolution spectropolarimetric measurements. Methods: The Stokes profiles of four visible and three infrared spectral lines are subject to inversions based on simple one-component models as well as more sophisticated realizations of penumbral flux tubes embedded in a static ambient field (uncombed models). Results: According to the one-component inversions, the EC phenomenon can be understood as a perturbation of the magnetic and dynamic configuration of the penumbral filaments along which these structures move. The uncombed inversions, on the other hand, suggest that ECs are the result of enhancements in the visibility of penumbral flux tubes. We conjecture that the enhancements are caused by a perturbation of the thermodynamic properties of the tubes, rather than by changes in the vector magnetic field. The feasibility of this mechanism is investigated performing numerical experiments of thick penumbral tubes in mechanical equilibrium with a background field. Conclusions: While the one-component inversions confirm many of the properties indicated by a simple line parameter analysis (Paper I of this series), we tend to give more credit to the results of the uncombed inversions because they take into account, at least in an approximate manner, the fine structure of the penumbra.

研究动机与目标

• 利用高空间和时间分辨率的谱偏振数据，确定Evershed云（ECs）的物理特性。
• 解决长期以来关于ECs是否代表本影通量管中真正的磁扰动还是可见度效应的模糊问题。
• 研究ECs是否由磁场几何结构变化引起，或由通量管中的热力学变化引起。
• 通过在力学平衡状态下的厚通量管数值实验，检验压力/密度扰动机制的可行性。
• 比较单组分模型与未解缠反演模型，评估在复杂本影结构中物理解释的可靠性。

提出的方法

• 使用单组分大气模型，对四个可见波段（630 nm）和三个红外波段（1565 nm）的Stokes轮廓进行反演，假设每个空间分辨率元内为单一、均匀的大气层。
• 采用未解缠模型以考虑本影的精细结构，显式建模共存的通量管与背景大气，其物理参数各不相同。
• 反演代码采用高度无关的磁场、速度梯度，以及可见光与红外波段分别独立的杂散光贡献；出射辐射强度建模为通量管与背景贡献的线性组合。
• 构建物理模型以模拟处于力学平衡状态的厚本影通量管，通过改变气体压力与密度，评估其对光学深度和谱线形成的影响。
• 模拟上部通量管压力降低对光学深度标度的影响，以确定其对ECs中观测到的填充因子与偏振比的影响。
• 将单组分与未解缠反演结果进行比较，以评估推断出的物理特性的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 Evershed云是由本影纤维矢量磁场的真实扰动引起，还是可见度变化的产物？
• RQ2 ECs所在通量管的物理特性与周围本影结构有何不同？
• RQ3 通量管内气体压力与密度的变化能否解释ECs中观测到的多普勒速度增强与填充因子增加？
• RQ4 与磁场几何结构相比，通量管的热力学状态在ECs形成与传播中起何作用？
• RQ5 ECs中观测到的填充因子增加是由于管位置、半径或光学深度结构的变化所致？

主要发现

• 单组分反演表明，ECs与更倾斜的磁场和更强的Evershed流相关，暗示存在磁扰动，但因模型简化，该结果可靠性较低。
• 未解缠反演显示，ECs中通量管的磁场与温度与周围内脊区域几乎完全相同，表明无显著磁变化。
• 未解缠反演中的主要差异是ECs中通量管成分的填充因子更高，表明通量管可见度增强。
• 填充因子的增强并非由于管位置或半径变化，而是由于上半部分通量管气体压力与密度降低，导致光学深度标度下移。
• 数值实验证实，上部通量管压力降低导致密度减小，使光学深度标度下移，从而增加通量管对出射Stokes轮廓的贡献。
• 该机制可解释被解读为更高填充因子的线偏振与圆偏振比的增加，支持ECs的热力学起源而非磁起源。