[论文解读] Vortex Flows in the Solar Atmoshpere: Automated Identification and Statistical Analysis

Ioannis Giagkiozis, V. Fedun+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2017

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 3

一句话总结

本研究提出了一种完全自动化的太阳光球层小尺度强度涡旋检测方法，结合局域互相关追踪（LCT）与流体动力学涡旋检测算法，应用于Fe i连续谱观测数据。研究发现，约140万个此类涡旋同时存在，每个持续约17秒，覆盖光球层2.8%的面积，可能通过产生MHD波对日冕加温产生影响。

ABSTRACT

Aims. Due to the fundamental importance of vortices on the photosphere, in this work we aim to fully automate the process of intensity vortex identification to facilitate a more robust statistical analysis of their properties. Methods. Using on-disk observational data of the Fe I continuum, the process of vortex identification is fully automated, for the first time in solar physics, with the help of an established method from hydrodynamics initially employed for the study of eddies in turbulent flows (Graftieaux et al. 2001). Results. We find that the expected lifetime of intensity vortices is much shorter (~ 17s) compared with previously observed magnetic bright point swirls. Our findings suggest that at any time there are 1.4e6 such small-scale intensity vortices covering about 2.8% of the total surface of the solar photosphere.

研究动机与目标

• 通过自动化识别光球层强度涡旋，克服人为观测偏差和采样不全的问题。
• 通过可扩展、可重复的方法，实现对涡旋属性的稳健统计分析。
• 估算宁静太阳光球层中小尺度涡旋的空间与时间密度。
• 研究这些涡旋在驱动MHD波及贡献于日冕加温方面的潜在作用。
• 评估强度涡旋与太阳大气中更大尺度磁旋风（magnetic tornadoes）之间的关联。

提出的方法

• 对Fe i连续谱数据应用局域互相关追踪（LCT）以估算光球速度场。
• 将流体动力学涡旋检测方法（Graftieaux et al. 2001）进行适配，用于识别速度场中的涡旋中心与边界。
• 利用涡度场将涡旋分类为顺时针（负值）或逆时针（正值）。
• 自动提取涡旋参数：寿命、直径、平均垂直速度及面积。
• 在连续时间步长间追踪涡旋，以估算其寿命与空间分布。
• 基于58.5分钟的完整观测数据集，对涡旋群体属性进行统计分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 宁静太阳光球层中，小尺度强度涡旋的典型寿命是多少？
• RQ2 在任意给定时刻，太阳光球层上存在多少个此类涡旋？
• RQ3 这些涡旋覆盖光球表面的百分比是多少？
• RQ4 强度涡旋的统计特性与以往观测到的磁亮斑旋涡相比如何？
• RQ5 这些涡旋是否可能是MHD波的源头或太阳大气中磁旋风的前兆？

主要发现

• 强度涡旋的预期寿命约为17秒，显著短于以往观测到的磁亮斑旋涡。
• 在任意给定时刻，太阳光球层上存在约1.4 × 10⁶个强度涡旋。
• 这些涡旋共同覆盖了光球总面积的约2.8%。
• 即使仅有10%的涡旋延伸至低日冕区域，其覆盖面积也可能超过日冕总面积的17%。
• 此类日冕涡旋的估算能量流（Poynting flux）可达440 W m⁻²，超过宁静太阳加温的能量需求（约300 W m⁻²）。
• 结果表明，由于人工检测的局限性，以往的涡旋计数可能被低估了约一个数量级。