Solnechno-Zemnaya Fizika Solnechno-Zemnaya Fizika Солнечно-земная физика 2712-9640 4568 10.12737/7155 Результаты исследований Results of current research Результаты исследований Relationship between plasma flow Doppler velocities and magnetic field parameters during the appearance of active regions at the solar photospheric level Связь доплеровских скоростей с параметрами магнитного поля при появлении активных областей в фотосфере Солнца Хлыстова Анна Иннокентьевна Khlystova Anna Innokentyevna hlystova@iszf.irk.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Институт солнечно-земной физики СО РАН Иркутск Россия Institute of Solar Terrestrial Physics SB RAS Irkutsk Russian Federation 17 03 2015 17 03 2015 1 1 75 84 https://zh-szf.ru/en/nauka/article/4568/view

Проведено статистическое исследование связи доплеровских скоростей течений плазмы и параметров магнитного поля при появлении активных областей в фотосфере Солнца по данным SOHO/MDI. Рассмотрены 224 возникающие активные области с разными пространственными масштабами и положением на диске Солнца. Проанализированы связи: 1) отрицательных доплеровских скоростей с положением возникающих активных областей на диске; 2) отрицательных и положительных доплеровских скоростей с параметрами магнитного поля в активных областях, возникающих в центральной части солнечного диска (вертикальная составляющая); 3) отрицательных и положительных доплеровских скоростей с параметрами магнитного поля в активных областях, возникающих вблизи лимба (горизонтальная составляющая); 4) скорости роста магнитного потока с напряженностью выходящих магнитных полей; 5) доплеровских скоростей и параметров магнитного поля в первые часы появления активных областей с величиной полного беззнакового магнитного потока в максимуме их развития.

Using data obtained with the Michelson Doppler Imager (MDI) onboard the Solar and Heliospheric Observatory (SOHO), we have conducted a statistical study of the relationship between plasma flow Doppler velocities and magnetic field parameters during the appearance of active regions at the solar photospheric level. We have examined 224 emerging active regions having different spatial scales and positions on the solar disc. The following relationships have been analysed: 1) those between the negative Doppler velocities and the position of active regions emerging on the solar disc; 2) those between the negative and positive Doppler velocities and the magnetic field parameters in the ac-tive regions emerging near the solar disc centre (the vertical component); 3) those between the negative and positive Doppler velocities and the magnetic field pa-rameters in the active regions emerging near the limb (the horizontal component); 4) those between the mag-netic flux growth rate and the strength of emerging magnetic fields; 5) those between the Doppler velocities and the magnetic field parameters during the first hours after the appearance of active regions with the total unsigned magnetic flux at the peak of their development.

 активные области магнитные поля поля скоростей центролимбовые наблюдения active regions magnetic fields velocity fields center-limb observations

ВВЕДЕНИЕМагнитный поток на Солнце выходит на разных пространственных масштабах (см., например, [Parnell et al., 2009]). Существует степенная связь между максимальной величиной магнитного потока и временем его существования [Головко, 1998]. Большие и долгоживущие магнитные потоки называют активными областями.При появлении активных областей в фотосфере Солнца на линии раздела полярностей выходящих магнитных полей наблюдаются отрицательные доплеровские скорости (подъем плазмы) до 1 км/с [Brants, 1985a, b; Tarbell et al., 1989; Lites et al., 1998; Strous, Zwaan, 1999; Kubo et al., 2003; Guglielmino et al., 2006; Grigor&#39;ev et al., 2009]. Высокие доплеров-ские скорости ~1.7 км/с наблюдались при появлении мощной активной области NOAA 10488 [Grigor&#39;ev et al., 2007]. Сопоставление доплеровских скоростей с параметрами магнитных полей не проводилось.При появлении активных областей на уровне фотосферы в местах наибольшей концентрации магнитных полей наблюдаются положительные доплеровские скорости до 2 км/с [Гопасюк, 1967, 1969; Kawaguchi, Kitai, 1976; Bachmann, 1978; Zwaan et al., 1985; Brants, 1985a, b; Brants, Steenbeek, 1985; Lites et al., 1998; Solanki et al., 2003; Lagg et al., 2007; Xu et al., 2010]. Наблюдение пор выявило связь между скоростью опускания плазмы и напряженностью магнитного поля. Авторы работы [Bonaccini et al., 1991] при изучении большой поры нашли, что сильные магнитные поля линейно коррелируют с доплеровскими скоростями опускания в форме B[Гс]=500V [км/с]. По результатам наблюдения пор [Keil et al., 1999] доплеровские скорости опускания показали положительную корреляцию с напряженностью магнитного поля. Авторы работы [Cho et al., 2010] в маленьких порах <2", не связанных с выходом магнитного потока, наблюдали отрицательную корреляцию между положительными доплеровскими скоростями и напряженностью магнитного поля. Другие исследователи [Grigor&#39;ev et al., 2011] на стадии формирования поры в возникающей активной области обнаружили линейный рост напряженности магнитного поля и положительной доплеровской скорости.Измерения горизонтальных скоростей при появлении активных областей в фотосфере ранее проводились лишь косвенно. По анализу движений магнитных структур были получены значения в широком диапазоне от 0.1 до 5.5 км/с [Frazier, 1972; Schoolman, 1973; Harvey, Martin, 1973; Chou, Wang, 1987; Barth, Livi, 1990; Strous, Zwaan, 1999; Hagenaar, 2001; Grigorʹev et al., 2009; Otsuji et al., 2011]. В работе [Chou, Wang, 1987] не было обнаружено связи скоростей расхождения полюсов противоположных полярностей в 24 биполярных парах со средней напряженностью магнитного поля и полным беззнаковым магнитным потоком. Авторы работы [Otsuji et al., 2011] нашли степенную связь с отрицательным показателем между скоростью расхождения полюсов противоположных полярностей и максимальной величиной магнитного потока.В работе [Khlystova, 2011] представлено статистическое исследование фотосферных доплеровских скоростей в 83 активных областях с полным беззнаковым магнитным потоком выше 1021 Мкс. Найдена центролимбовая зависимость отрицательных доплеровских скоростей, показывающая, что в первые часы появления активных областей горизонтальные скорости растекания плазмы превосходят вертикальные скорости подъема.В данной работе изучаются статистические связи доплеровских скоростей с параметрами магнитных полей в возникающих активных областях._____________________________________________________________________________________* Впервые статья опубликована на английском языке в журнале "Solar Physics". 2013. V. 284. P. 329-341. На русском языке публикуется впервые по лицензии издательства.

Гопасюк С.И. Поле скоростей в активной области на стадии появления пятен // Изв. КрАО. 1967. Т. 37. С. 29-43. Bachmann G. On the evolution of magnetic and velocity fields of an originating sunspot group. Bull. Astron. Inst. Czechoslov. 1978, vol. 29, pp. 180-184. Гопасюк,С.И. Поле скоростей на двух уровнях в июльской группе 1966 г. // Изв. КрАО. 1969. Т. 40. С. 111-126. Bai T., Scherrer P.H., Bogart R.S. The Evershed effect: An MDI investigation. Korzennik S. (ed.) Structure and Dynamics of the Interior of the Sun and Sun-Like Stars. 1998, SP-418, pp. 607-610. Bachmann G. On the evolution of magnetic and velocity fields of an originating sunspot group // Bull. Astron. Inst. Czechoslov. 1978. V. 29. P. 180-184. Barth C.S., Livi S.H.B. Magnetic bipoles in emerging flux regions on the Sun. Rev. Mex. Astron. Astrofis. 1990, vol. 21, pp. 549-551. Bai T., Scherrer P.H., Bogart R.S. The Evershed effect: An MDI investigation // Structure and Dynamics of the Interior of the Sun and Sun-Like Stars / Ed. Korzennik S. 1998. SP-418. P. 607-610. Bonaccini D., Landi Degl’Innocenti E., Smaldone L.A., Tamblyn P. High resolution spectropolarimetry of an active region. November, L.J. (ed.) Solar Polarimetry. 1991, pp. 251-256. Barth C.S., Livi S.H.B. Magnetic bipoles in emerging flux regions on the Sun // Rev. Mex. Astron. Astrofis. 1990. V. 21. P. 549-551. Brants J.J. High-resolution spectroscopy of active regions. II Line-profile interpretation, applied to an emerging flux region. Solar Phys. 1985a, vol. 95, pp. 15-36. DOI: 10.1007/ BF00162633. Bonaccini D., Landi Degl Innocenti E., Smaldone L.A., Tamblyn P. High resolution spectropolarimetry of an active region // Solar Polarimetry / Ed. November L.J. 1991. P. 251-256. Brants J.J. High-resolution spectroscopy of active regions. III. Relations between the intensity, velocity, and magnetic structure in an emerging flux region. Solar Phys. 1985b, vol. 98, pp. 197-217. DOI: 10.1007/BF00152456. Brants J.J. High-resolution spectroscopy of active regions. II. Line-profile interpretation applied to an emerging flux region // Solar Phys. 1985a. V. 95. P. 15-36. DOI: 10.1007/BF00162633. Brants J.J., Steenbeek J.C.M. Morphological evolution of an emerging flux region. Solar Phys. 1985, vol. 96, pp. 229-252. Brants J.J. High-resolution spectroscopy of active regions. III. Relations between the intensity, velocity, and magnetic structure in an emerging flux region // Ibid. 1985b. V. 98. P. 197-217. DOI: 10.1007/BF00152456. Cho K.-S., Bong S.-C., Chae J., Kim Y.-H., Park Y.-D. Tiny pores observed by Hinode/Solar optical telescope. Astrophys. J. 2010, vol. 723, pp. 440-448. DOI: 10.1088/0004-637X/723/1/440. Brants J.J., Steenbeek J.C.M. Morphological evolution of an emerging flux region // Ibid. 1985. V. 96. P. 229-252. Chou D., Wang H. The separation velocity of emerging magnetic flux. Solar Phys. 1987, vol. 110, pp. 81-99. DOI: 10.1007/ BF00148204. Cho K.-S., Bong S.-C., Chae J., et al. Tiny pores observed by Hinode/Solar optical telescope // Astrophys. J. 2010. V. 723. P. 440-448. DOI: 10.1088/0004-637X/723/1/440. Frazier E.N. The magnetic structure of arch filament systems. Solar Phys. 1972, vol. 26, pp. 130-141. DOI: 10.1007/ BF00155113. Chou D., Wang H. The separation velocity of emerging magnetic flux // Solar Phys. 1987. V. 110. P. 81-99. DOI: 10.1007/ BF00148204. Garcia de La Rosa J.I. The observation of intrinsically different emergences for large and small active regions. Solar Phys. 1984, vol. 92, pp. 161-172. DOI: 10.1007/BF00157243. Frazier E.N. The magnetic structure of arch filament systems // Ibid. 1972. V. 26. P. 130-141. DOI: 10.1007/BF00155113. Golovko A.A. Relationship between the maximum magnetic fluxes and lifetimes of solar active regions. Astron. Rep. 1998, vol. 42, pp. 546-552. DOI: 10.1007/BF00149682. Garcia de La Rosa J.I. The observation of intrinsically different emergences for large and small active regions // Ibid. 1984. V. 92. P. 161-172. DOI: 10.1007/BF00157243. Gopasyuk S.I. The velocity field in an active region at spot appearance stage. Izvestiya Krymskoi Astrofizicheskoi Observatorii [Crimea Astrophysical Observatory Transactions] 1967, vol. 37, pp. 29-43 (in Russian). Golovko A.A. Relationship between the maximum magnetic fluxes and lifetimes of solar active regions // Astron. Rep. 1998. V. 42. P. 546-552. DOI: 10.1007/BF00149682. Gopasyuk S.I. The velocity field at two levels in the active region of July 1966. Izvestiya Krymskoi Astrofizicheskoi Observatorii [Crimea Astrophysical ObservatoryTransactions] 1969, vol. 40, pp. 111-126 (in Russian). Grigorev V.M., Ermakova L.V., Khlystova A.I. Dyna-mics of line-of-sight velocities and magnetic field in the solar photosphere during the formation of the large active region NOAA 10488 // Astron. Lett. 2007. V. 33. P. 766-770. DOI: 10.1134/S1063773707110072. Grigorʹev V.M., Ermakova L.V., Khlystova A.I. Dynamics of line-of-sight velocities and magnetic field in the solar photosphere during the formation of the large active region NOAA 10488. Astron. Lett. 2007, vol. 33, pp. 766-770. DOI: 10.1134/S1063773707110072. Grigor'ev V.M., Ermakova L.V., Khlystova A.I. Emergence of magnetic flux at the solar surface and the origin of active regions // Astron. Rep. 2009. V. 53. P. 869-878. DOI: 10.1134/S1063772909090108. Grigorʹev V.M., Ermakova L.V., Khlystova A.I. Emergence of magnetic flux at the solar surface and the origin of active regions. Astron. Rep. 2009, vol. 53, pp. 869-878. DOI: 10.1134/S1063772909090108. Grigor'ev V.M., Ermakova L.V., Khlystova A.I. The dynamics of photospheric line-of-sight velocities in emerging active regions // Ibid. 2011. V. 55. P. 163-173.DOI: 10.1134/S1063772911020041. Grigorʹev V.M., Ermakova L.V., Khlystova A.I. The dynamics of photospheric line-of-sight velocities in emerging active regions. Astron. Rep. 2011, vol. 55, pp. 163-173. DOI: 10.1134/S1063772911020041. Guglielmino S.L., Martínez Pillet V., Ruiz Cobo B., et al. A detailed analysis of an ephemeral region // Mem. Soc. Astron. Ital. Suppl. 2006. V. 9. P. 103-105. Guglielmino S.L., Martínez Pillet V., Ruiz Cobo B., Zuccarello F., Lites B.W. A detailed analysis of an ephemeralregion. Mem. Soc. Astron. Ital. Suppl. 2006, vol. 9, pp. 103-105. Hagenaar H.J. Ephemeral regions on a sequence of full-disk Michelson Doppler Imager magnetograms // Astrophys. J. 2001. V. 555. P. 448-461. DOI: 10.1086/321448. Hagenaar H.J. Ephemeral regions on a sequence of full-disk Michelson Doppler Imager magnetograms. Astrophys. J. 2001, vol. 555, pp. 448-461. DOI: 10.1086/321448. Harvey K.L., Martin S.F. Ephemeral active regions // Solar Phys. 1973. V. 32. P. 389-402. DOI: 10.1007/BF00154951. Harvey K.L., Martin S.F. Ephemeral active regions. Solar Phys. 1973, vol. 32, pp. 389-402. DOI: 10.1007/BF00154951. Kawaguchi I., Kitai R. The velocity field associated with the birth of sunspots // Ibid. 1976. V. 46. P. 125-135. DOI: 10.1007/BF00157559. Kawaguchi I., Kitai R. The velocity field associated with the birth of sunspots. Solar Phys. 1976, vol. 46, pp. 125-135. DOI: 10.1007/BF00157559. Keil S.L., Balasubramaniam K.S., Smaldone L.A., Reger B. Velocities in solar pores // Astrophys. J. 1999. V. 510. P. 422-443. DOI: 10.1086/306549. Keil S.L., Balasubramaniam K.S., Smaldone L.A., Reger B. Velocities in solar pores. Astrophys. J. 1999, vol. 510, pp. 422-443. DOI: 10.1086/306549. Khlystova A. Center-limb dependence of photospheric velocities in regions of emerging magnetic fields on the Sun // Astron. Astrophys. 2011. V. 528. A7. DOI: 10.1051/0004-6361/201015765. Khlystova A. Center-limb dependence of photospheric velocities in regions of emerging magnetic fields on the Sun. Astron. Astrophys. 2011, vol. 528, A7. DOI: 10.1051/0004-6361/201015765. Khlystova A. The horizontal component of photospheric plasma flows during the emergence of active regions on the Sun // Solar Phys. 2013. V. 284. P. 343-361. DOI: 10.1007/s11207-012-0181-8. Khlystova A. The horizontal component of photospheric plasma flows during the emergence of active regions on the Sun. Solar Phys. 2013, vol. 284, pp. 343-361. DOI: 10.1007/s11207-012-0181-8. Kubo M., Shimizu T., Lites B.W. The evolution of vector magnetic fields in an emerging flux region // Astrophys. J. 2003. V. 595. P. 465-482. DOI: 10.1086/377333. Kubo M., Shimizu T., Lites B.W. The evolution of vector magnetic fields in an emerging flux region. Astrophys. J. 2003, vol. 595, pp. 465-482. DOI: 10.1086/377333. Lagg A., Woch J., Solanki S.K., Krupp N. Supersonic downflows in the vicinity of a growing pore. Evidence of unresolved magnetic fine structure at chromospheric heights // Astron. Astrophys. 2007. V. 462. P. 1147-1155. DOI: 10.1051/0004-6361:20054700. Lagg A., Woch J., Solanki S.K., Krupp N. Supersonic downflows in the vicinity of a growing pore. Evidence of unresolved magnetic fine structure at chromospheric heights. Astron. Astrophys. 2007, vol. 462, pp. 1147-1155. DOI: 10.1051/0004-6361:20054700. Lites B.W., Skumanich A., Martinez Pillet V. Vector magnetic fields of emerging solar flux. I. Properties at the site of emergence // Ibid. 1998. V. 333. P. 1053-1068. Lites B.W., Skumanich A., Martinez Pillet, V. Vector magnetic fields of emerging solar flux. I. Properties at the site of emergence. Astron. Astrophys. 1998, vol. 333, pp. 1053-1068. Liu Y., Norton A.A., Scherrer P.H. A note on saturation seen in the MDI/SOHO magnetograms // Solar Phys. 2007. V. 241. P. 185-193. DOI: 10.1007/s11207-007-0296-5. Liu Y., Norton A.A., Scherrer P.H. A note on saturation seen in the MDI/SOHO magnetograms. Solar Phys. 2007, vol. 241, pp. 185-193. DOI: 10.1007/s11207-007-0296-5. Meunier N., Lagrange A.M., Desort M. Reconstructing the solar integrated radial velocity using MDI/SOHO // Astron. Astrophys. 2010. V. 519. A66. Meunier N., Lagrange A.M., Desort M. Reconstructing the solar integrated radial velocity using MDI/SOHO. Astron. Astrophys. 2010, vol. 519, A66. Otsuji K., Kitai R., Ichimoto K., Shibata K. Statistical study on the nature of solar-flux emergence // Publ. Astron. Soc. Japan. 2011. V. 63. P. 1047-1057. Otsuji K., Kitai R., Ichimoto K., Shibata K. Statistical study on the nature of solar-flux emergence. Publ. Astron. Soc. Japan. 2011, vol. 63, pp. 1047-1057. Parker E.N. The formation of sunspots from the solar toroidal field // Astrophys. J. 1955. V. 121. P. 491-507. DOI: 10.1086/146010. Parker E.N. The formation of sunspots from the solar toroidal field. Astrophys. J. 1955, vol. 121, pp. 491-507. DOI: 10.1086/146010. Parnell C.E., DeForest C.E., Hagenaar H.J., et al. A powerlaw distribution of solar magnetic fields over more than five decades in flux // Ibid. 2009. V. 698. P. 75-82. DOI: 10.1088/0004-637X/698/1/75. Parnell C.E., DeForest C.E., Hagenaar H.J., Johnston B.A., Lamb D.A., Welsch B.T. A powerlaw distribution of solar magnetic fields over more than five decades in flux. Astrophys. J. 2009, vol. 698, pp. 75-82. DOI: 10.1088/0004-637X/698/1/75. Scherrer P.H., Bogart R.S., Bush R.I., et al. MDI Engineering Team. The solar oscillations investigation - Michelson Doppler Imager // Solar Phys. 1995. V. 162. P. 129-188. DOI: 10.1007/BF00733429. Scherrer P.H., Bogart R.S., Bush R.I., Hoeksema J.T., Kosovichev A.G., Schou J., Rosenberg W., Springer L., Tarbell T.D., Title A., Wolfson C.J., Zayer I., MDI Engineering Team. The solar oscillations investigation - Michelson Doppler Imager. Solar Phys. 1995, vol. 162, pp. 129-188. DOI: 10.1007/BF00733429. Schoolman S.A. Videomagnetograph studies of solar magnetic fields. II: Field changes in an active region // Ibid. 1973. V. 32. P. 379-388. DOI: 10.1007/BF00154950. Schoolman S.A. Videomagnetograph studies of solar magnetic fields. II. Field changes in an active region. Solar Phys. 1973, vol. 32, pp. 379-388. DOI: 10.1007/BF00154950. Snodgrass H.B. Magnetic rotation of the solar photosphere // Astrophys. J. 1983. V. 270. P. 288-299. DOI: 10.1086/161121. Snodgrass H.B. Magnetic rotation of the solar photosphere. Astrophys. J. 1983, vol. 270, pp. 288-299. DOI: 10.1086/161121. Snodgrass H.B., Ulrich R.K. Rotation of Doppler features in the solar photosphere // Ibid. 1990. V. 351. P. 309-316. DOI: 10.1086/168467. Snodgrass H.B., Ulrich R.K. Rotation of Doppler features in the solar photosphere. Astrophys. J. 1990, vol. 351, pp. 309-316. DOI: 10.1086/168467. Solanki S.K., Lagg A., Woch J., et al. Three-dimensional magnetic field topology in a region of solar coronal heating // Nature. 2003. V. 425. P. 692-695. DOI: 10.1038/nature02035. Solanki S.K., Lagg A., Woch J., Krupp N., Collados M. Three-dimensional magnetic field topology in a region of solar coronal heating. Nature. 2003, vol. 425, pp. 692-695. DOI: 10.1038/nature02035. Strous L.H., Zwaan C. Phenomena in an emerging active region. II. Properties of the dynamic small-scale structure // Astrophys. J. 1999. V. 527. P. 435-444. DOI: 10.1086/308071. Strous L.H., Zwaan C. Phenomena in an emerging active region. II. Properties of the dynamic small-scale structure. Astrophys. J. 1999, vol. 527, pp. 435-444. DOI: 10.1086/308071. Tarbell T.D., Topka K., Ferguson S., et al. High-resolution observations of emerging magnetic flux // High Spatial Resolution Solar Observations / Ed. von der Luehe O. 1989. P. 506-520. Tarbell T.D., Topka K., Ferguson S., Frank Z., Title A.M. High-resolution observations of emerging magnetic flux. Von der Luehe O. (ed.) High Spatial Resolution Solar Observations. 1989, pp. 506-520. Ulrich R.K., Bertello L., Boyden J.E., Webster L. Interpretation of solar magnetic field strength observations // Solar Phys. 2009. V. 255. P. 53-78. DOI: 10.1007/s11207-008-9302-9. Ulrich R.K., Bertello L., Boyden J.E., Webster L. Interpretation of solar magnetic field strength observations. Solar Phys. 2009, vol. 255, pp. 53-78. DOI: 10.1007/s11207-008-9302-9. Xu Z., Lagg A., Solanki S.K. Magnetic structures of an emerging flux region in the solar photosphere and chromosphere // Astron. Astrophys. 2010. V. 520. A77. DOI: 10.1051/0004-6361/ 200913227. Xu Z., Lagg A., Solanki S.K. Magnetic structures of an emerging flux region in the solar photosphere and chromosphere. Astron. Astrophys. 2010, vol. 520, A77. DOI: 10.1051/0004-6361/ 200913227. Zwaan C. Elements and patterns in the solar magnetic field // Ann. Rev. Astron. Astrophys. 1987. V. 25. P. 83-111. DOI: 10.1146/annurev.aa.25.090187.000503. Zwaan C. Elements and patterns in the solar magnetic field. Ann. Rev. Astron. Astrophys. 1987, vol. 25, pp. 83-111. DOI: 10.1051/0004-6361/ 200913227. Zwaan C., Brants J.J., Cram L.E. High-resolution spectroscopy of active regions. I. Observing procedures // Solar Phys. 1985. V. 95. P. 3-14. DOI: 10.1007/BF00162632. Zwaan C., Brants J.J., Cram L.E. High-resolution spectroscopy of active regions. I. Observing procedures. Solar Phys. 1985, vol. 95, pp. 3-14. DOI: 10.1007/BF00162632.