[论文解读] Time series of high resolution photospheric spectra in a quiet region of the Sun. II. Analysis of the variation of physical quantities of granular structures

K. G. Puschmann, B. Ruiz Cobo+3 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2012

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 23被引用 33

一句话总结

本研究通过分析宁静太阳区域的高分辨率时序光谱图，推导太阳米粒组织与胞间通道中热力学与速度结构的垂直分层特性。利用对观测谱线轮廓的反演技术，结果表明温度涨落随高度迅速衰减，相干性在 log τ ≈ −1 处丧失，而对流速度则穿透更深，尤其在大尺度米粒组织中，为光球层密度反演层之外的显著越顶现象提供了观测证据。

ABSTRACT

From the inversion of a time series of high resolution slit spectrograms obtained from the quiet sun, the spatial and temporal distribution of the thermodynamical quantities and the vertical flow velocity is derived as a function of logarithmic optical depth and geometrical height. Spatial coherence and phase shift analyzes between temperature and vertical velocity depict the height variation of these physical quantities for structures of different size. An average granular cell model is presented, showing the granule-intergranular lane stratification of temperature, vertical velocity, gas pressure and density as a function of logarithmic optical depth and geometrical height. Studies of a specific small and a specific large granular cell complement these results. A strong decay of the temperature fluctuations with increasing height together with a less efficient penetration of smaller cells is revealed. The T -T coherence at all granular scales is broken already at log tau =-1 or z~170 km. At the layers beyond, an inversion of the temperature contrast is revealed. Vertical velocities are in phase throughout the photosphere and penetrate into the highest layers under study.

研究动机与目标

• 确定太阳光球层中米粒结构内温度、速度、压强和密度等物理量的空间与时间变化特征。
• 利用时序光谱数据研究对流能量传输与湍流特性随高度和米粒尺度的变化规律。
• 通过将观测到的速度与温度涨落与模拟预测进行对比，检验数值对流模拟的有效性。
• 考察H⁻消光系数在不同光学深度与几何高度下对温度对比度与涨落的形成作用。

提出的方法

• 使用基于响应函数的SIR（Stokes Inversion based on Response functions）代码对高分辨率狭缝光谱图进行反演，以获得随光学深度（log τ）与几何高度（z）变化的大气参数。
• 应用温度与垂直速度之间的空间相干性与相位差分析，评估对流结构随高度传播与衰减的特性。
• 构建平均米粒细胞模型，以表征光球层中温度、垂直速度、气体压强与密度的分层分布。
• 对比特定大、小尺度米粒细胞，研究对流速度与温度涨落的尺度依赖性行为。
• 采用统一的几何高度网格，以实现物理量的水平比较，但此方法可能因假设静力平衡而引入人为压强差异。
• 通过与Stein & Nordlund（1998）的数值模拟结果对比，验证研究结果，尤其关注速度振幅与垂直分布形状的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同尺寸的米粒结构中，温度与垂直速度涨落如何随高度（log τ 与 z）变化？
• RQ2 对流速度在多大程度上穿透至光球层上部？这种穿透程度如何依赖于米粒尺度？
• RQ3 H⁻消光系数在相同光学深度与相同几何高度下，对温度涨落振幅与垂直分布有何影响？
• RQ4 为何在较大米粒结构的高层区域出现温度对比度反转（即温度反演）？
• RQ5 观测到的速度与温度分布与三维辐射流体动力学模拟预测的符合程度如何，特别是关于速度极值的相对大小与垂直位置？

主要发现

• 温度涨落随高度迅速衰减，在 log τ ≈ −1 或 z ≈ 170 km 处失去相干性，该高度处观测到温度涨落的最小值。
• 对于尺寸大于1.5″的米粒结构，在 log τ ≈ −1 以上区域出现温度对比度反转，表明在高层区域米粒较冷而胞间通道较热。
• 在相同光学深度（log τ = 0.2）下，由于H⁻消光系数的高敏感性，温度涨落仅为 ΔT ≈ 400 K；而在相同几何高度（z = −40 km）下，ΔT 达到1400 K，证实了消光系数的影响。
• 垂直速度涨落的衰减速度慢于温度涨落，尺寸大于1.4″的结构在 z ≈ 370 km（log τ ≈ −2.8）处仍可探测到，表明其具有深层穿透能力。
• 最大垂直速度涨落（ΔVz）在深层光球层达到1.4 km s⁻¹，且米粒组织的速度峰值出现在高于胞间通道的位置，与Stein & Nordlund（1998）的模拟结果一致。
• 速度与温度结构的尺寸依赖性高度分布相似，为对流运动显著越顶进入光球层密度反演层之上的区域提供了强有力的观测证据。