[论文解读] The solar magnetic field since 1700: II. Physical reconstruction of total, polar and open flux

Jie Jiang, R. H. Cameron+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 45被引用 31

一句话总结

本研究利用基于太阳黑子数数据和经验统计关系生成的半合成太阳黑子群记录，通过表面磁通量输运模型，重建了1700年至现在的太阳磁场和日球层开放磁通量。该模型再现了观测到的极区和开放磁通量趋势，证实了极区磁场强度与后续太阳周期振幅之间存在强相关性，并表明在1793–1800年期间引入一个假设的“缺失”周期与宇宙成因核素记录存在矛盾。

ABSTRACT

We have used semi-synthetic records of emerging sunspot groups based on sunspot number data as input for a surface flux transport model to reconstruct the evolution of the large-scale solar magnetic field and the open heliospheric flux from the year 1700 onward. The statistical properties of the semi-synthetic sunspot group records reflect those of the observed the Royal Greenwich Observatory photoheliographic results. These include correlations between the sunspot numbers and sunspot group latitudes, longitudes, areas and tilt angles. The reconstruction results for the total surface flux, the polar field, and the heliospheric open flux (determined by a current sheet source surface extrapolation) agree well with the available observational or empirically derived data and reconstructions. We confirm a significant positive correlation between the polar field during activity minimum periods and the strength of the subsequent sunspot cycle, which has implications for flux transport dynamo models for the solar cycle. Just prior to the Dalton minimum, at the end of the 18th century, a long cycle was followed by a weak cycle. We find that introducing a possibly `lost' cycle between 1793 and 1800 leads to a shift of the minimum of the open flux by 15 years which is inconsistent with the cosmogenic isotope record.

研究动机与目标

• 使用物理建模方法，重建自1700年以来大尺度太阳磁场和日球层开放磁通量的演化过程。
• 将表面磁通量输运模型（SFTM）与观测数据和经验数据进行验证，包括极区磁场和开放磁通量的重建结果。
• 研究太阳极区磁场强度与后续太阳黑子周期振幅之间物理联系的机制。
• 评估潜在的缺失太阳黑子周期（特别是道尔顿极小期附近）对开放磁通量演化的影响。
• 评估重建的开放磁通量与宇宙成因核素记录（如冰芯中的¹⁰Be）的一致性。

提出的方法

• 表面磁通量输运模型（SFTM）求解太阳表面径向磁场的输运-扩散方程，包含差速旋转、经向流动和湍流扩散效应。
• 磁通量浮现的源项 S(λ,φ,t) 以半合成太阳黑子群记录形式生成，基于RGO照相日面观测数据中太阳黑子群属性（面积、纬度、经度、倾角）与周期振幅之间的统计相关性。
• 模型引入径向扩散（ηr）以考虑三维磁通量衰减，水平扩散系数 ηH 固定为250 km² s⁻¹。
• 采用当前片源面模型（CSSS）将表面磁场外推，以计算日球层开放磁通量。
• 模型验证使用了观测到的极区磁场数据，以及来自 aa指数和宇宙成因核素的重建结果。
• 通过20次独立的半合成源记录实现，量化统计不确定性，评估极区和开放磁通量的标准差。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅基于太阳黑子数数据和统计相关性，表面磁通量输运模型在多大程度上能再现观测到的极区和开放磁通量趋势？
• RQ2 观测到的太阳极区磁场强度与后续太阳周期振幅之间相关性的物理基础是什么？
• RQ3 在1793至1800年间引入一个假设的“缺失”太阳黑子周期，是否能提高与宇宙成因核素记录的一致性？
• RQ4 源于太阳黑子群属性与周期强度之间统计关系的源项非线性特性，如何影响重建的磁场演化？
• RQ5 特别是半合成源记录中的随机波动所导致的模型不确定性，在多大程度上影响了极区和开放磁通量重建的可靠性？

主要发现

• 重建的总表面磁通量、极区磁场和日球层开放磁通量与观测和经验重建结果高度一致，验证了模型的物理解释一致性。
• 极区磁场强度与后续太阳周期振幅之间存在显著正相关性，支持磁通量输运发电机模型。
• 模型在无需引入随时间变化的经向流或额外衰减项的情况下，成功再现了每个周期的极区磁场反转，这归因于统计相关性带来的源项非线性效应。
• 在1793–1800年间引入假设的“缺失”周期，会使道尔顿极小期期间的开放磁通量最小值提前15年，与¹⁰Be宇宙成因核素记录不一致。
• 在极大期期间，开放磁通量的标准差可达其均值的13%，而极区磁场的标准差保持较低水平，表明开放磁通量估计的不确定性更高。
• 在整个模拟期间，极区磁场和开放磁通量的平均标准差分别约为其均值的10%，表明重建结果具有中等程度的不确定性。