[论文解读] What's So Peculiar About the Cycle 23/24 Solar Minimum?

N. R. Sheeley|arXiv (Cornell University)|May 20, 2010

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 7

一句话总结

本文研究了23和24号太阳周期之间的异常深邃且持续时间长的太阳最小期，将这一现象的特征——低黑子数、弱极区磁场以及持续时间长——归因于太阳大尺度经向环流的时变。通量输运模拟表明，流速降低15%可解释极区和星际磁场的减弱，从而将太阳内部动力学与周期的异常行为联系起来。

ABSTRACT

Traditionally, solar physicists become anxious around solar minimum, as they await the high-latitude sunspot groups of the new cycle. Now, we are in an extended sunspot minimum with conditions not seen in recent memory, and interest in the sunspot cycle has increased again. In this paper, I will describe some of the characteristics of the current solar minimum, including its great depth, its extended duration, its weak polar magnetic fields, and its small amount of open flux. Flux-transport simulations suggest that these characteristics are a consequence of temporal variations of the Sun's large-scale meridional circulation.

研究动机与目标

• 理解23和24号太阳周期之间异常深邃且持续时间长的太阳最小期的成因。
• 研究在此最小期期间观测到的弱极区磁场和低开放磁通量是否源于次表层动力学的变化。
• 研究经向环流在调节太阳周期振幅和极性反转中的作用。
• 将当前最小期与历史最小期进行比较，评估其在250年太阳活动背景下的独特性。
• 利用观测数据和模拟数据检验假设：经向流速的变化控制着极区磁场强度。

提出的方法

• 使用对数和线性尺度分析1895年至2009年的月度黑子数，以可视化最小期的深度和持续时间。
• 利用威尔逊山天文台和GONG/MDI数据的纬度-时间蝴蝶图，追踪黑子群的出现和周期重叠。
• 通过日震学（GONG/MDI和威尔逊山）数据研究经向流模式，检测扭转振荡中的异常。
• 解读1967年至今光球磁场的经向平均值，识别与经向流相关的极向磁通量脉冲。
• 应用包含扩散和经向流的通量输运模拟，建模流速变化如何影响极区磁场的反转与强度。
• 将观测到的扭转振荡迁移速度变化与次表层流速变化相关联，推断经向环流的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何23和24号太阳周期之间的太阳最小期比以往更深更长？
• RQ2 太阳大尺度经向环流的变化在多大程度上解释了此次最小期期间极区磁场的减弱？
• RQ3 次表层流速变化如何影响磁通量的输运以及极区磁场的反转？
• RQ4 超granular扩散在塑造观测到的磁通量脉冲及其向两极迁移过程中起什么作用？
• RQ5 通量输运模拟是否仅通过适度改变经向流速就能再现当前最小期的观测特征？

主要发现

• 当前太阳最小期（2008–2009年）自1967年观测开始以来最为深邃，2009年8月黑子数低至2.0。
• 该最小期在23和24号周期之间表现出长达1年的无爆发间隔，与1902年和1913年的最小期相似，表明活动长期减弱。
• 扭转振荡——交替的顺向和逆行旋转带——在24号周期之前显示出迁移速度降低，表明次表层流速减慢。
• 威尔逊山天文台对极向磁通量脉冲的观测显示，磁通量向极区迁移期间流速从12 m s⁻¹降至8 m s⁻¹，与经向环流减弱一致。
• 通量输运模拟表明，经向流速降低15%可解释当前最小期观测到的极区和星际磁场减弱。
• 高纬度区域磁通量的“顶结”结构与向极区递减的经向流速分布一致，支持经向流在塑造极区磁场形态中的作用。