Артефакты и долгопериодические колебания солнечных...
DESCRIPTION
Артефакты и долгопериодические колебания солнечных пятен. Ю.А. Наговицын, А.Л. Рыбак. Типичные временные шкалы вариаций магнитных полей пятен. Pevtsov et al // ApJL , 2011: Н - изменение с 11-л циклом активности Pevtsov et al // Solar Phys ., 2013: изменение с вековым циклом активности - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Ю.А. Наговицын, А.Л. Рыбак
Артефакты и долгопериодические
колебания солнечных пятен
Типичные временные шкалы вариаций магнитных полей пятен
• Pevtsov et al // ApJL, 2011: Н - изменение с 11-л циклом активности
• Pevtsov et al // Solar Phys., 2013: изменение с вековым циклом активности
• Колебания Н пятен с Т несколько суток (сверхдолгопериодические)
• 3-мин колебания пятен (обзор - Богдан, 2000)
• Долгопериодические колебания Т – десятки-сотни минут.
Долгопериодические колебания на временной шкале десятки-сотни минут (наземные наблюдения)
• Бекерс и Шульц, 1972: 15-мин осцилляции на внешней границе тени (кроме 3m колебаний).
• В 1985 г. Гопасюк: 40-мин крутильные КПК с амплитудой V= 50 м/с. • Демченко, и др., 1985: 70-минутные колебания площадей пятен. • Бертон и Рэйроул, 1985: 40–50 мин колебания азимутального
компонента скорости газа в пятне. • Башкирцев и Машнич, 1983-1993 и др.: колебания протуберанцев,
характер мод – суперпозиция крутильных и долготных колебаний, периоды: 40–80 мин.
• Ландман и др., 1977: спокойные протуберанцы, T 25m, в ширине и интенсивности линии D3 HeI.
• Виер и др., 1984: допплеровские колебания H - амплитуд протуберанцев с периодами 50, 60 и 64m.
• Бальтазар и др.,1986,1988: периодические (T 1h) доплер.сдвиги в H.• Корональные арки: Гаррисон, 1987: T~24m, Швестка, 1994
(рентгеновский диапазон) – Т ~ 20m, Де Форест и Гурман, 1998 (УФ диапазон) – T ~ 15m, Кауфман, 1972 (микроволновой радиодиапазон) – T = 41m.
Долгопериодические колебания на временной шкале десятки-сотни минут (наземные наблюдения)
• Борцов, Вяльшин, Наговицын, 1986: циклические изменения характеристик пятен с Т от 35 до 140 минут.
• Наговицын и Вяльшин, 1989: крутильная мода с Т от 45 до 120 минут и меридиональные колебания с Т=155 и 185 мин.
• Дружинин и др., 1990, 1993: периодическая компонента собственных движений с T = 158m. Крутильные колебания с периодами около часа.
• Ихсанов и Наговицына, 1990: не-глобальная компонента собственных движений - КПК (T = 70 240m) двух независимых мод: широтной и долготной.
• Наговицына, 1990: крутильная -мода и радиальная r – мода относительных колебаний пятен зависимы. Периоды: от 60 до 120 минут.
• Ефремов, Ихсанов, Парфиненко, 2004: 30-40 мин колебания.
Долгопериодические колебания пятен на временной шкале десятки-сотни минут (наблюдения SOHO MDI)
• Наговицын и др. (2008, 2011): 35-40, 50-75, 100-150, 200-250 мин и больше
• Ефремов, Парфиненко, Соловьев (2012):
Предельная низкочастотная мода КПК в пятне 800-1300 мин, кроме того, КПК в полосах:
40–45, 60–80, 135–170, 220–250 и 480–520 мин
Артефакты MDI SOHO
Х – артефакт MDI:
8060 8080 8100 8120 8140
2900
3000
3100
3200
Time, minute
8060 8080 8100 8120 8140
560
562
564
566
3260 3280 3300 3320 3340
2500
2600
2700
Time, minute
266
268
270
3260 3280 3300 3320 3340
H, G
auss
No
pixe
ls, X
axi
s
7300 7320 7340 7360 7380 7400
2000
2100
2200
2300
7300 7320 7340 7360 7380 7400
502
504
506
508
1700 1720 1740 1760 1780 1800
2200
2300
2400
2500
H, G
auss
Time, minute
Time, minute
136
138
140
1700 1720 1740 1760 1780 1800
No
pixe
ls, X
axi
s
AR 8794 u=50 (слева) 37(справа) AR 9066, u=53 (слева)
8 (справа)
Изучение колебаний МП пятен: метод максимального пиксела
Движение от пиксела к пикселу по X в картинной плоскости
Движение от пиксела к пикселу по Y в картинной плоскости:
ДОЛЖЕН быть и Y-артефакт!
Видимые на MDI колебанияAR 8794, (сверху) AR 9066 8 (снизу)
3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000
2600
2800
3000
3200
Hm
ax, G
au
ss
Time, minute
3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100001200
1500
1800
2100
2400
Time, minute
Hm
ax, G
auss
Y – артефакт MDIЗависит от угла наклона оси вращения Солнца к картинной плоскости B0
3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000
2600
2800
3000
3200
792
795
798
801
3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000
Hm
ax, G
au
ss
Time, minute
8497
No
pix
els
, Y
axis
3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100001200
1500
1800
2100
2400
579582585588
3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000
Time, minute
Hm
ax,
Ga
uss
No
pix
els
, Y
axi
s
Ложные периоды SOHO MDI, обусловленные Y - артефактом (статистика – 45 пятен)
300 600 900 1200 1500 1800 21000.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
Cou
nts,
%
Period, min
75% в диапазоне 700-1300 мин
Ефремов и др. (2012): Предельная низкочастотная мода КПК в пятне 800-1300 мин
Регулярное движение по широте как источник артефакта колебаний (даже при В0 = 0) Пусть пятно имеет собственное движение по широте V= 0.2 град/сут (реальная величина).Тогда из-за прохождения по пикселам в вертикальном направлении оно будет генерировать колебания с периодом: Т = 1450/(0.2*12200/24/60) = 860 мин
Необходимо отслеживать координаты и горизонтальное поле пятна, а не только вариации напряженности.
Градиент Н на пикселах вблизи центра пятна
2
0[1 ]rB RH H 3
22
0[1 2 ]rSG RH H
20 ( )B RH H
322
0{1 [1 2( ) ] }SG RH H
10000 , 2", 2500 :R km H G
50BH G 150SGH G
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 55002200
2400
2600
28002400
2600
2800
2600
2800
3000
3200
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500
H, G
Пикселы как коррелятор: синхрони-зация разных участков пятна
Center
Center+X
Center+2X
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 55002200
2400
2600
28002400
2600
2800
2600
2800
3000
3200
792794796798800802
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500
H, G
Y, Px
Пикселы как коррелятор: синхрони-зация разных участков пятна
Center
Center+X
Center+2X
Пикселы как коррелятор: синхрони-зация разных участков пятна
6000 7000 8000 9000 10000600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
H, Gauss
Time, minute
6000 7000 8000 9000 10000
792
795
798
801
Y, px
Center
Center-Y
Center-2Y
Center-3Y
6000 7000 8000 9000 10000
792
795
798
801
Y, px
6000 7000 8000 9000 10000200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
H, Gauss
Center
Center+Y
Center+2Y
Center+3Y
Time, minute
Пикселы как коррелятор: синхрони-зация разных участков пятна
Поскольку пикселы синхронизируют пятно «в целом», интегральные характеристики (площадь, периметр, суммарный поток) содержат систематические ошибки, зависящие от локализации пятна в сетке пикселов.
Как преодолеть влияние артефактов SOHO MDI ?
Два пути решения:
• Коррекция артефактов (см. Наговицын, Наговицына, 1996; Наговицын и др., 2012)
• Контроль артефактов
Пятно на трех строчках пикселов
3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000
2600
2800
3000
3200
792
795
798
801
3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000
Hm
ax, G
auss
Time, minute
8497
No
pixe
ls, Y
axi
s
Пятно на трех строчках пикселов
3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000
2600
2800
3000
3200
792
795
798
801
3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000
Hm
ax, G
auss
Time, minute
8497
No
pixe
ls, Y
axi
s
Пятно на трех строчках пикселов
3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000
2600
2800
3000
3200
792
795
798
801
3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000
Hm
ax, G
auss
Time, minute
8497
No
pixe
ls, Y
axi
s Частотная вейвлет-фильтрация X и Y артефактов:
dta
bttH
abaWH *)(
1),(
Вейвлет-преобразование (расщепление на частотн. компоненты):
Частотные компоненты, соответствующие X-артф. (T<=15 мин) и Y-артф (>=500 мин)зануляются.
)
Обратное вейвлет-преобразование:H*(t) = W-1[WH]
Результаты вейвлет-фильтрации
0 500 1000 1500 2000 2500
-2800
-2700
-2600
-2500
-2400
0 500 1000 1500 2000 2500
-80-60-40-20
020406080
0 500 1000 1500 2000 2500
2700
2800
2900
3000
3100
3200
3300
0 500 1000 1500 2000 2500
-100
-50
0
50
100
Y A
xis
Titl
e
9937
H(t
), g
auss
Time, minute
H*(t)
, gau
ss
Time, minute
Неслучайность колебаний: критерий 2:(отличие от нормального по кр.мере с р>0.95)
-100 -50 0 50 1000
20
40
60
80
100AR9782m = 19p>0.95 nonG
Co
unts -150 -100 -50 0 50 100 150
0
30
60
90
120
150 AR8502m = 150p>0.99 nonG
-100 -50 0 50 1000
20
40
60
80
100
120
140
AR8497m=40p>0.99 nonG
-100 -50 0 50 1000
30
60
90
120
150
180AR9800m = 249p>0.99 nonG
Value, Gauss
Данные MDI SOHO и наземных наблюдений.Зависимость частоты КПК
от напряженности магнитного поля пятна
Наблюдательный материал
• 45 пятен простой симметричной формы, наблюденных на MDI SOHO за 1999-2002 гг.-- После нахождения параметров КПК (комплексный Морле-6) оставлены частотн. компоненты с А > 25 Гс)
• + 34 пятна, наблюденных с Земли 1975-1990 гг. (Вяльшин, Наговицын, Наговицына)
Зависимость частоты КПК от напряженности МП пятна
1000 1500 2000 2500 30000
1
2
3
4
f = 1
00/T
, min
-1
H, gauss
Кружки – MDI SOHOКвадраты – наземные наблюдения
Типы горизонтальных КПК пятен
• Крутильные КПК (относительные): - мода
• Радиальные КПК (относительные): r - мода
• Широтные КПК (абсолютные): - мода
• Долготные КПК (абсолютные): - мода
• Колебания напряженности магнитного поля
«Короткие» связи в АО
l
Выводы и результаты• Показано, что неучет движения пятна по пикселам
MDI SOHO в вертикальном направлении приводит к обнаружению ложных периодов долгопериодических колебаний магнитного поля пятен (Y-артефакт) с периодами 700-1300 минут вблизи центрального меридиана. Данная мода - не предельная низкочастотная мода долгопериодических КПК пятна, а артефакт.
• Предложен способ контроля этого артефакта с помощью вейвлет-преобразования, позволяющий исследовать периоды колебаний в диапазоне 15<T<500 мин. Колебания в диапазоне 500-1500 мин, возможно, и существуют, но их изучение требует специальной методики.
• По наблюдениям 45 (+34) пятен построена экспериментальная зависимость частоты колебаний магнитного поля пятна от его напряженности. Картина имеет многомодовый характер и не противоречит предыдущим данным наземных исследований.
Спасибо за внимание!
Спектр, создаваемый Y артефактом
2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000
656
657
658
659
660
661
2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0.018 0.0200.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
820m1600m
Frequency (Hz)
Am
plitu
de
510m
2700m
.
Спектр, создаваемый Y артефактом
К интерпретации зависимости частоты КПК
от напряженности магнитного поля пятна
Зависимость «напряженность поля-частота (период КПК)»
,,cos8
, 222
0 0
xl
xHPddPF H
x
R
xx
][)1000( 0 GsHkH H
/2,/,0 2 TmFFxxm
Широтные и долготные КПК:
h
dhJhJRsm0
2 )()(),( )1000(
24
0
2/3
Hk
slJT
Крутильные колебания:
l
HPddPF H
R
8,
22
0 0
)1000( 0 HkHH
)1000(
224
0
2/3
,
Hk
slJT
Радиальные КПК: 2/,2/ ,*
TTTTr
Т.обр., вариации МП пятен вызваны 4 типами различающихся, но связанных между собой, мод
Какие колебания напряженности МПмы наблюдаем?• Основные моды:
• Комбинационные моды:
Примем l =109 см, J = 102г/см2 (h~108см),k = 1, s = 0.5.
TTfTTfTfTTf rr /2/1),2/(2/1,/1),2/(1/1 432,1
TTfTTfTfTTf rr /2/1),2/(2/1,/1),2/(1/1 432,1
jiji ffff ,
Зависимость частоты КПК от напряженности МП пятна
1000 1500 2000 2500 30000
1
2
3
4
H, gauss
f = 1
00/T
, min
-1
f3
f2
f4
f1
Зависимость частоты КПК от напряженности МП пятна
1000 1500 2000 2500 30000
1
2
3
4
f2+f3
H, gauss
f = 1
00/T
, min
-1
f4-f3
f2+f4
f1+f3
f3-f2
f4-f1
f3(2f1)
f2
f4(2f2)
f1+f2
f1
f2-f1
SOHO (H) и Nobeyama (I), пятно № 10
400 500 600 700 800 900
-15
-10
-5
0
5
10
15
400 500 600 700 800 900
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
Time, minutes
= 48+17 мин
Сопоставление частот КПК SOHO и Nobeyama
= 0.97, 3.4
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
AR8951
100/T
(N
oR
H)
100/T (SOHO)
AR8949
AR8953