[论文解读] The Deep Layers of Sunspot Umbrae

G. Stellmacher, E. Wiehr|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2012

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种经验模型（M3），通过使用近红外连续谱强度和C I谱线轮廓，将M0太阳黑子本影模型扩展至更深的大气层。通过假设T⁴(τR)温度结构，并拟合1.67 μm连续谱和C I谱线，该模型在观测约束之间实现了最佳折衷，得出有效温度为3750 K，表明若存在本影对流，则其必须发生在比光球层更深的层次。

ABSTRACT

We model the deepest observable layers of dark sunspot umbral atmospheres in terms of an empirical model which equally describes observed near infrared continuum intensities and line profiles. We use the umbral continuum intensity at 1.67 nm and the three C I lines at 1,6888, 1,7449 and 1,7456 nm to model the deep layers near the minimum of H- absorption. We find that a radiative equilibrium stratification yields the best compromise between continuum and C I line observations. We determine the effective temperature from the umbral and photospheric flux ratio by down-scaling the monochromatic photospheric flux with the umbral contrast for each frequency. The thus obtained monochromatic umbral flux and the photospheric one are integratied over the whole frequency range, yielding the ratio of total umbral and photospheric flux, which gives 3560 K < T_eff < 3780 K. We assume for our model M3 T_eff=3750 K and fit M3 to the theoretical model by Meyer et al. (1974). Comparison of the model's 'nabla' gradient with the adiabatic one shows that umbral convection, if existing at all, can only occur at considerably deeper layers than in the photosphere.

研究动机与目标

• 将太阳黑子本影的经验M0模型扩展至辐射平衡占主导地位的更深层大气层。
• 将观测到的近红外连续谱强度和C I谱线轮廓与单一一致的模型相协调。
• 通过利用观测到的本影对比度对光球通量进行标度，确定本影的有效温度。
• 通过温度梯度分析，评估本影中对流不稳定性发生的深度相对于光球层的位置。
• 评估线状遮蔽效应和分子形成（CO）对深层本影中原子碳谱线强度的影响。

提出的方法

• 假设T⁴(τR)温度结构，将M0模型外推至更深层次，同时平衡1.67 μm连续谱和C I谱线轮廓的约束。
• 通过将光球通量（Unsöld, 1956）乘以观测到的本影与光球强度比值，计算单色本影通量，假设无中心-边缘变化。
• 对频率积分单色通量，推导出总本影通量和光球通量，得出有效温度范围为3560 K至3780 K。
• 将观测到的C I谱线（16888Å, 17456Å, 17449Å）的等效宽度作为上限，校正寄生光和CO形成的影响。
• 使用Hall（1974）的红外图谱和Wöhl（1975）的可见光数据，校正夫琅和费谱线吸收，以最小化系统误差。
• 在Θ = 5040/T与log Pg平面中将M3与Meyer等人（1974）的理论模型进行比较，确保1.67 μm强度保持在10⁻³以内。

实验结果

研究问题

• RQ1 在深层太阳黑子本影中，哪种温度结构最能同时拟合1.67 μm连续谱和C I谱线轮廓？
• RQ2 基于观测到的连续谱对比度和光球通量标度，本影的有效温度是多少？
• RQ3 线状遮蔽和分子形成（CO）如何影响深层本影中C I谱线的强度？
• RQ4 与光球层相比，本影中对流不稳定性首次可能发生的光学深度为何值？
• RQ5 观测到的谱线轮廓中不存在宏观湍流，是否可由对流在深层开始这一现象解释？

主要发现

• 基于T⁴(τR)温度结构的M3模型，最能同时满足1.67 μm连续谱约束和C I谱线强度限制。
• 本影的有效温度被限制在3560 K < T_eff < 3780 K之间，所采用的值为3750 K。
• 温度梯度∇ = dlogT/dlogP_g的最大值出现在本影中τ₀.₅ ≈ 10.0处，而光球层中为τ₀.₅ ≈ 2.0。
• 本影中对流仅在τ₀.₅ ≈ 2.4处开始，远深于光球层中的τ₀.₅ ≈ 0.44，表明其发生深度显著更深。
• 线状遮蔽在τ_R ≈ 1.65–10⁻³处引起“反向加热”，在τ_R ≤ 10⁻³处引起“边界温度降低”，与栅栏模型一致。
• CO形成对C I谱线强度的影响估计约为25%，该模型在计算等效宽度时已考虑此效应。