[论文解读] The formation of sunspot penumbra. I. Magnetic field properties

R. Rezaei, N. Bello González+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 99被引用 37

一句话总结

本研究利用德国太阳望远镜（VTT）上TIP与GFPI仪器获取的同时高时间分辨率光谱偏振观测，研究了活动区 NOAA 11024 中太阳黑子半影形成过程中的磁场特性。结果表明，半影的形成由通量约为~2–3×10¹⁸ Mx的小通量斑（SFPs）驱动，这些SFPs相互合并，以4.2×10¹⁶ Mx s⁻¹的速率供给磁通量，而光桥则作为磁通量通道，并在磁通量、磁场强度（~1.6 kG）和倾角（>60°）达到临界条件时，成为半影纤维的成核位点。

ABSTRACT

We study the formation of a sunspot penumbra in the active region NOAA11024. We simultaneously observed the Stokes parameters of the photospheric iron lines at 1089.6 nm with the TIP and 617.3 nm with the GFPI spectropolarimeters along with broad-band images using G-band and CaIIK filters at the German VTT. The formation of the penumbra is intimately related to the inclined magnetic field. Within 4.5 h observing time, the magnetic flux of the penumbra increases from 9.7E+20 to 18.2E+20 Mx, while the magnetic flux of the umbra remains constant at about 3.8E+20 Mx. Magnetic flux in the immediate surroundings is incorporated into the spot, and new flux is supplied via small flux patches (SFPs), which on average have a flux of 2-3E+18 Mx. The spot's flux increase rate of 4.2E+16 Mx/s corresponds to the merging of one SFP per minute. We also find that during the formation of the spot penumbra: a) the maximum magnetic field strength of the umbra does not change, b) the magnetic neutral line keeps the same position relative to the umbra, c) the new flux arrives on the emergence side of the spot while the penumbra forms on the opposite side, d) the average LRF inclination of the light bridges decreases from 50 to 37 deg, and e) as the penumbra develops, the mean magnetic field strength at the spot border decreases from 1.0 to 0.8 kG. The SFPs associated with elongated granules are the building blocks of structure formation in active regions. During the sunspot formation, their contribution is comparable to the coalescence of pores. A quiet environment in the surroundings is important for penumbral formation. As remnants of trapped granulation between merging pores, the light bridges are found to play a crucial role in the formation process. They seem to channel the magnetic flux through the spot during its formation. Light bridges are also the locations where the first penumbral filaments form.

研究动机与目标

• 理解半影形成过程中磁场条件及磁通量供给机制。
• 确定小通量斑（SFPs）与光桥在新生活动区结构演化中的作用。
• 量化半影形成所需的临界磁参数——磁通量、磁场强度与倾角。
• 研究磁通量涌现、磁场倾角与半影纤维发育之间的时空关系。

提出的方法

• 在德国太阳望远镜（VTT）上，对光球Fe I 1089.6 nm（TIP）和617.3 nm（GFPI）谱线进行高时间和空间分辨率的同时光谱偏振观测。
• 通过反演斯托克斯轮廓，重建光球磁场矢量，包括视向线（LOS）和局部参考系（LRF）倾角。
• 应用AZAM代码将LOS倾角转换为LRF倾角，以实现对磁场几何结构的精确分析。
• 利用G带和Ca II K滤光成像获取宽带图像，追踪原黑子及半影形成的形态演化。
• 在4.5小时内对 umbra、penumbra 及周围区域的磁通量演化进行时间追踪。
• 识别并测量小通量斑（SFPs）的通量，分析其在磁通量供给与合并事件中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 形成半影所需的临界磁通量、磁场强度与倾角阈值是什么？
• RQ2 小通量斑（SFPs）如何促进新生半影区域磁通量的增长？
• RQ3 光桥在磁通量输运及半影纤维成核过程中扮演何种角色？
• RQ4 在半影发育过程中，磁场构型如何在空间和时间上演化？
• RQ5 为何半影形成倾向于发生在磁通量涌现位置的对侧？

主要发现

• 在4.5小时内，半影的LRF磁通量从9.7×10²⁰ Mx增加至18.2×10²⁰ Mx，而 umbra 的磁通量保持恒定在~3.8×10²⁰ Mx。
• 该黑子磁通量增加速率为4.2×10¹⁶ Mx s⁻¹，相当于每分钟合并一个SFP，单个SFP的平均磁通量为2–3×10¹⁸ Mx。
• 在磁场强度强但倾角低的区域未形成半影；仅当磁场倾角超过~60°时，才形成稳定纤维结构。
• umbra 中的最大磁场强度在整个观测期间保持恒定，表明核心磁场强度未发生变化。
• 随着半影的形成，光桥的平均LRF倾角从50°下降至37°，表明其具有动态磁通量通道作用。
• 在半影形成过程中，黑子边界处的平均磁场强度从1.0 kG下降至0.8 kG，表明磁通量向外围扩散且磁场减弱。