[论文解读] Three Cycles of the Solar Toroidal Magnetic Field and This Peculiar Minimum

Leyan Lo, J. T. Hoeksema+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2010

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 3

一句话总结

本研究分析了34年WSO和13年SOHO/MDI磁像，追踪太阳纬向磁场的倾角，发现第24太阳周期于2003–2004年在高纬度北半球开始。尽管当前太阳活动极小期的极区磁场异常微弱，但纬向磁场的演化与以往周期高度一致，表明纬向磁场行为与后续极小期的持续时间或强度之间并无明确关联。

ABSTRACT

Thirty-four years of WSO (Wilcox Solar Observatory) and thirteen years of SOHO/MDI (Michelson Doppler Imager on the Solar and Heliospheric Observatory) magnetograms have been studied to measure the east-west inclination angle, indicating the toroidal component of the photospheric magnetic field. This analysis reveals that the large-scale toroidal component of the global magnetic field is antisymmetric around the equator and reverses direction in regions associated with flux from one solar cycle compared to the next. The toroidal field revealed the first early signs of cycle 24 at high latitudes, especially in the northern hemisphere, appearing as far back as 2003 in the WSO data and 2004 in MDI. As in previous cycles, the feature moves gradually equatorward. Cycles overlap and the pattern associated with each cycle lasts about 17 years. Even though the polar field at the current solar minimum is significantly lower than the three previous minima, the toroidal field pattern is similar.

研究动机与目标

• 调查第24太阳周期的异常微弱极小期期间，纬向磁场是否表现出异常行为。
• 确定第24周期纬向磁场模式的早期出现是否与极小期观测到的异常微弱极区磁场相关。
• 评估从视线磁像推导出的纬向磁场倾角是否可靠地反映潜在的发电机过程。
• 对比WSO与SOHO/MDI数据，评估一致性并识别MDI数据中的仪器伪影，特别是2003年后的周期性噪声。
• 研究纬向磁场向赤道迁移的时序演化及其与22年磁周期的关系。

提出的方法

• 针对每个卡林顿周期，利用太阳盘面的视线磁场数据（B_l）测量光球磁场的东-西倾角α。
• 对B_l(θ) = A cos(θ + α)进行正弦拟合，使用Shrauner & Scherrer（1994）推导的最小二乘拟合公式，得出平均倾角α。
• 分别生成正负磁性极性区域的倾角图，然后计算其差值以分离出纬向磁场的东-西分量。
• 将倾角差值图按经度平均，生成双半球的纬度-时间图（等高线图与折线图）。
• 利用WSO（1977–2009）和MDI（1997–2009）数据，追踪三轮太阳周期中纬向磁场特征的出现与向赤道迁移。
• 通过与WSO对比，识别SOHO卫星2003年后翻滚引起的周期性噪声，以排除MDI数据潜在的伪影。

实验结果

研究问题

• RQ1 在第24太阳周期异常微弱的极小期期间，纬向磁场是否表现出异常行为？
• RQ2 第24周期纬向磁场的首个迹象在光球数据中何时出现？
• RQ3 第24周期纬向磁场倾角的演化与前两个周期相比如何？
• RQ4 MDI数据中的仪器效应在多大程度上扭曲了纬向磁场倾角的测量？
• RQ5 观测到的纬向磁场模式是否与太阳发电机模型预测的22年周期及赤道处磁场反向一致？

主要发现

• 基于WSO数据，第24周期的纬向磁场首次在2003年于北半球高纬度区域出现；MDI数据显示为2004年。
• 尽管极小期延长，第24周期纬向磁场模式的向赤道迁移持续时间仍为17年，与前两个周期一致。
• 倾角差值图显示，纬向磁场关于赤道呈反对称分布，并在连续周期间发生方向反转。
• 2007年平均倾角差值的符号反转标志着第24周期的开始，与双半球弱场区的磁场反转一致。
• 尽管当前极小期的极区磁场显著弱于前三次极小期，但进入极小期的纬向磁场模式与以往周期无异。
• MDI数据整体模式与WSO相似，但2003年后因SOHO卫星翻滚出现周期性噪声，表明高分辨率纬向磁场测量存在校准挑战。