[论文解读] The solar chromosphere at millimetre and ultraviolet wavelengths. I. Radiation temperatures and a detailed comparison

S. Jafarzadeh, Sven Wedemeyer+4 more|Duo Research Archive (University of Oslo)|Jan 17, 2019

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 58被引用 14

一句话总结

本研究利用ALMA毫米波观测（Band 6，1.21–1.3 毫米）和IRIS紫外光谱数据（Mg ii k/h，C ii，O i，Si iv）比较了太阳色球层在不同磁性区域中的辐射温度。结果表明，ALMA温度（在局部热动平衡LTE条件下形成）与紫外辐射温度具有良好的相关性，但因紫外谱线存在非局部热动平衡（non-LTE）效应而表现出系统性偏差，其中C ii线心温度与ALMA温度最为接近，而Mg ii谱线在所有区域中均表现出最低的辐射温度。

ABSTRACT

Solar observations with the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) provide us with direct measurements of the brightness temperature in the solar chromosphere. We study the temperature distributions obtained with ALMA Band 6 (in four sub-bands at 1.21, 1.22, 1.29, and 1.3 mm) for various areas at, and in the vicinity of, a sunspot, comprising quasi-quiet and active regions with different amounts of underlying magnetic fields. We compare these temperatures with those obtained at near- and far-ultraviolet (UV) wavelengths (and with the line-core intensities of the optically-thin far-UV spectra), co-observed with the Interface Region Imaging Spectrograph (IRIS) explorer. These include the emission peaks and cores of the Mg II k 279.6 nm and Mg II h 280.4 nm lines as well as the line cores of C II 133.4 nm, O I 135.6 nm, and Si IV 139.4 nm, sampling the mid-to-high chromosphere and the low transition region. Splitting the ALMA sub-bands resulted in an slight increase of spatial resolution in individual temperature maps, thus, resolving smaller-scale structures compared to those produced with the standard averaging routines. We find that the radiation temperatures have different, though somewhat overlapping, distributions in different wavelengths and in the various magnetic regions. Comparison of the ALMA temperatures with those of the UV diagnostics should, however, be interpreted with great caution, the former is formed under the local thermodynamic equilibrium (LTE) conditions, the latter under non-LTE. The mean radiation temperature of the ALMA Band 6 is similar to that extracted from the IRIS C II line in all areas with exception of the sunspot and pores where the C II poses higher radiation temperatures. In all magnetic regions, the Mg II lines associate with the lowest mean radiation temperatures in our sample. These will provide constraints for future numerical models.

研究动机与目标

• 比较利用毫米波（ALMA）和紫外（IRIS）观测得到的太阳色球层辐射温度。
• 评估ALMA基于LTE的亮度温度与在非局部热动平衡（non-LTE）条件下形成的紫外诊断结果之间的一致性。
• 研究温度分布如何在不同磁环境（宁静区、 plage、 umbra、 pores）中变化。
• 评估ALMA与IRIS观测之间的时间和空间差异对温度相关性的影响。
• 为未来色球层加热与辐射转移的数值模型提供观测约束。

提出的方法

• 利用ALMA Band 6在1.21、1.22、1.29和1.3 毫米的观测数据，假设局部热动平衡（LTE）来推导亮度温度。
• 分析IRIS远紫外和近紫外光谱，获取Mg ii k/h、C ii 133.4 nm、O i 135.6 nm和Si iv 139.4 nm的线心强度与发射峰强度。
• 通过反演毫米波数据的普朗克函数和利用紫外数据的谱线强度，计算辐射温度。
• 应用空间配准和时间延迟校正，对齐ALMA与IRIS数据，以补偿不同的扫描频率。
• ALMA数据的子带分割提升了空间分辨率，从而更有效地检测小尺度结构。
• 采用统计比较方法，包括线性相关系数和散点图，评估不同磁性区域中ALMA与IRIS辐射温度之间的关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同磁性区域中，ALMA毫米波观测得到的辐射温度与IRIS紫外诊断结果得到的辐射温度如何比较？
• RQ2 紫外谱线中的非局部热动平衡（non-LTE）效应在多大程度上扭曲了辐射温度与气体温度之间的关系，相较于基于LTE的ALMA测量？
• RQ3 为何Mg ii谱线在所有磁性区域中均系统性地表现出低于其他紫外诊断结果和ALMA的辐射温度？
• RQ4 ALMA与IRIS辐射温度相关性中观察到的偏差（特别是在umbra区域）是由什么引起的？
• RQ5 形成高度差异和时间采样差异如何影响ALMA与IRIS之间观测到的温度相关性？

主要发现

• ALMA Band 6的平均辐射温度在所有磁性区域中与IRIS C ii 133.4 nm线心温度非常接近，仅在白子和 pores 区域中C ii表现出更高的温度。
• Mg ii k和h谱线的发射峰在所有磁性区域中始终表现出所有紫外诊断和ALMA中最低的辐射温度。
• 尽管ALMA与紫外辐射温度之间存在良好的线性相关性，但散点图显示系统性地偏离y=x线，主要归因于紫外谱线的非局部热动平衡形成机制。
• 在umbra区域，相关系数较低，可能是因为时间延迟校正后数据点有限，以及存在快速时间变化（如umbral flashes）。
• ALMA子带分割提升了空间分辨率，使得对小尺度色球层结构的检测优于标准平均处理。
• 本研究证实，ALMA辐射温度在LTE条件下代表气体温度，而紫外辐射温度由于非局部热动平衡效应，并不直接等同于气体温度。