Irkutsk, Russian Federation
The dynamics of horizontal photospheric plasma flows during the first hours of the emergence of active regions in the solar photosphere have been analyzed using SOHO/MDI data. Four active regions emerging near the solar limb have been considered. It has been found that extended regions of high Doppler velocities with different signs are formed during the magnetic flux emergence in the horizontal velocity field. The flows form at the beginning of the emergence of active regions and are present for a few hours. The peak values of the mean (inside the ±500 m/s isolines) and maximum Doppler velocities are 800–970 m/s and 1410–1700 m/s, respectively. The asymmetry was detected between velocity structures of leading and following polarities. Velocity structures located in a region of leading magnetic polarity are more powerful and exist longer than those in regions of following polarity. The asymmetry for the mean and maximal Doppler velocities reach 240–460 m/s and 710–940 m/s, respectively. An interpretation of the observable flow of photospheric plasma is given.
active regions, magnetic fields, velocity field
ВВЕДЕНИЕ
Измерения доплеровских скоростей в фотосфере в возникающих активных областях позволили установить присутствие подъема плазмы в вершинах выходящих магнитных петель [Brants, 1985a, b; Tar-bell et al., 1989; Lites et al., 1998; Strous, Zwaan, 1999; Kubo et al., 2003; Guglielmino et al., 2006; Grigor'ev et al., 2007; Grigor'ev et al., 2009] и опускания плазмы в местах наибольшей концентрации магнитного пото-ка [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].
Горизонтальные скорости в фотосфере, сопровождающие появление активных областей, оценива-лись косвенно. В работе [Frazier, 1972] было показа-но, что узлы фотосферного магнитного поля (21 событие) движутся вдоль арочной волоконной системы (arch filament system, AFS) со скоростями 0.1-0.4 км/с. Автор работы [Schoolman, 1973] по наблюдению молодой активной области обнаружил, что магнитные элементы движутся в случайных направлениях со скоростями 0.4-1.0 км/с. В работе [Barth, Livi, 1990] были измерены скорости расхождения противоположных полярностей для 45 биполярных пар в молодой активной области и получены значения скоростей 0.5-3.5 км/с, уменьшающиеся во времени. При рассмотрении выхода магнитного потока в развивающейся активной области [Strous, Zwaan, 1999] было найдено, что основания магнитных петель расходятся со средней скоростью 1.4 км/с. Авторы работы [Grigor'ev et al., 2009] рассчитали скорости перемещения внешних границ фотосферного магнитного потока в активной области NOAA 10488. Значения скоростей в конце первого часа составили 2-2.3 км/с, по мере выхода магнитного потока скорости уменьшались и через полтора часа достигли 0.3 км/с.
Высокие горизонтальные скорости в фотосфере наблюдаются при появлении эфемерных активных областей. В работе [Harvey, Martin, 1973] было обнаружено, что в первые 30 мин появления эфемерных активных областей основания магнитных петель расходятся со скоростями 5 км/с. В следующие 6 ч скорости расхождения спадают до 0.7-1.3 км/с и в дальнейшем продолжают уменьшаться. В работе [Hagenaar, 2001] было найдено, что скорости расхождения внешних границ эфемерных активных областей достигают 5.5 км/с, при этом отмечается тенденция уменьшения скоростей во времени. Авторы работы [Otsuji et al., 2011] нашли, что при появлении больших магнитных потоков скорости расхождения противоположных полярностей меньше 1 км/с, для малых они достигают 4 км/с.
Интересные результаты были получены из анализа горизонтальных течений в развивающихся активных областях по перемещению гранул. В работе [Strous et al., 1996] были обнаружены крупномасштабные горизонтальные расходящиеся движения гранул, сравнимые с общим дрейфом магнитных полярностей. Авторы объясняют это тесным взаимодействием грануляции и магнитных полей. Авторы работы [Kozu et al., 2005, 2006] нашли расходящиеся течения, локализующиеся между основаниями выходящих магнитных петель. По их мнению, это конвективные течения, которые способствуют выходу магнитного потока из глубоких слоев. Авторы также допускают, что наблюдаемые течения формируются выходящим магнитным потоком. Отметим, что в перечисленных работах начальная стадия формирования активных областей не рассматривалась.
В работе [Khlystova, 2011] построена центролимбовая зависимость отрицательных доплеровских скоростей при появлении активных областей в фотосфере Солнца. Впервые рассмотрены доплеровские скорости течений фотосферной плазмы на начальной стадии формирования активных областей. В представляемой работе проводится детальный анализ фотосферных доплеровских скоростей в активных областях, возникающих вблизи лимба.
_____________________________________________________________________________________________
* Впервые статья опубликована на английском языке в журнале “Solar Physics”. 2013. V. 284. P. 343–361. На русском языке публикуется впервые по лицензии издательства.
1. Archontis V., Moreno-Insertis F., Galsgaard K., Hood A., O’Shea E. Emergence of magnetic flux from the convection zone into the corona. Astron. Astrophys. 2004, vol. 426, pp. 1047-1063. DOI:https://doi.org/10.1051/0004-6361:20035934.
2. 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.
3. 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.
4. Battiato V., Billotta S., Contarino L., Guglielmino S., Romano P., Soadaro D., Zuccarello F. High resolution observations of emerging active regions carried out at the THEMIS telescope. SOHO-17. 10 Years of SOHO and Beyond, SP-617, ESA, Noordwijk, 2006, 51.1.
5. 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.
6. 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:https://doi.org/10.1007/BF00152456.
7. Brants J.J., Steenbeek J.C.M. Morphological evolution of an emerging flux region. Solar Phys., 1985, vol. 96, pp. 229-252. DOI:https://doi.org/10.1007/BF00149682.
8. Cauzzi G., Canfield R.C., Fisher G.H. A search for asymmetric flows in young active regions. Astrophys. J. 1996, vol. 456, pp. 850-860. DOI:https://doi.org/10.1086/176702.
9. Chapman G.A. A study of AR 9144; A fast-growing EFR. Solar Phys. 2002, vol. 209, pp. 141-152. DOI:https://doi.org/10.1023/A:10 20994131849.
10. Cheung M.C.M., Rempel M., Title A.M., Schüssler M. Simulation of the formation of a solar active region. Astrophys. J. 2010, vol. 720, pp. 233-244. DOI:https://doi.org/10.1088/0004-637X/720/1/233.
11. Fan Y. Magnetic fields in the solar convection zone. Living Rev. Solar Phys. 2009, vol. 6, p. 4.
12. Frazier E.N. The magnetic structure of arch filament systems. Solar Phys. 1972, vol. 26, pp. 130-141. DOI: 10.1007/ BF00155113.
13. 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).
14. 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).
15. Grigor’ev 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:https://doi.org/10.1134/S1063773707110072.
16. 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, vol. 53, pp. 869-878. DOI:https://doi.org/10.1134/S1063772909090108.
17. Grigor’ev 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.
18. Guglielmino S.L., Martínez Pillet V., Ruiz Cobo B., Zuccarello F., Lites B.W. A detailed analysis of an ephemeral region. Mem. Soc. Astron. Ital. Suppl. 2006, vol. 9, pp. 103-105.
19. Hagenaar H.J. Ephemeral regions on a sequence of full-disk Michelson Doppler Imager magnetograms. Astrophys. J. 2001, vol. 555, pp. 448-461. DOI:https://doi.org/10.1086/321448.
20. Harvey K.L., Martin S.F. Ephemeral active regions. Solar Phys. 1973, vol. 32, pp. 389-402. DOI:https://doi.org/10.1007/BF00154951.
21. Kawaguchi I., Kitai R. The velocity field associated with the birth of sunspots. Solar Phys. 1976, vol. 46, pp. 125-135. DOI:https://doi.org/10.1007/BF00157559.
22. Khlystova A. Center-limb dependence of photospheric velocities in regions of emerging magnetic fields on the Sun. Astron. Astrophys. 2011, vol. 528, A7. DOI:https://doi.org/10.1051/0004-6361/201015765.
23. Khlystova A. The relationship between plasma flow veloci-ties and magnetic field parameters during the emergence of active regions at the solar photospheric level. Solar Phys. 2013, vol. 284, pp. 329-341. DOI:https://doi.org/10.1007/s11207-012-0193-4.
24. Kozu H., Kitai R., Funakoshi Y. Development of real-time frame selector 2 and the characteristic convective structure in the emerging flux region. Publ. Astron. Soc. Japan. 2005, vol. 57, pp. 221-234.
25. Kozu H., Kitai R., Brooks D.H., Kurokawa H., Yoshimura K., Berger T.E. Horizontal and vertical flow structure in emerging flux regions. Publ. Astron. Soc. Japan. 2006, vol. 58, pp. 407-421.
26. 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:https://doi.org/10.1086/377333.
27. 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:https://doi.org/10.1051/0004-6361:20054700.
28. 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.
29. Liu J., Zhang H. The magnetic field, horizontal motion and helicity in a fast emerging flux region which eventually forms a delta spot. Sol. Phys. 2006, vol. 234, pp. 21-40.
30. Luoni M.L., Démoulin P., Mandrini C.H., van Driel-Gesztelyi L. Twisted flux tube emergence evidenced in longitudinal magnetograms: Magnetic tongues. Solar Phys. 2011, vol. 270, pp. 45-74. DOI:https://doi.org/10.1007/s11207-011-9731-8.
31. 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.
32. Pevtsov A., Lamb J.B. Plasma flows in emerging sunspots in pictures. Leibacher, J., Stein, R.F., Uitenbroek, H. (eds.) Solar MHD Theory and Observations: A High Spatial Resolution PerspectiveCS-354. Astron. Soc. Pac., San Francisco, 2006, pp. 249-255.
33. 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:https://doi.org/10.1007/BF 00733429.
34. 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:https://doi.org/10.1007/BF00154950.
35. Shibata K., Nozawa S., Matsumoto R., Sterling A.C., Tajima T. Emergence of solar magnetic flux from the convection zone into the photosphere and chromosphere. Astrophys. J. Lett. 1990, vol. 351, L25-L28. DOI:https://doi.org/10.1086/185671.
36. Sigwarth M., Schmidt W., Schuessler M. Upwelling in a young sunspot. Astron. Astrophys. 1998, vol. 339, L53-L56.
37. Snodgrass H.B. Magnetic rotation of the solar photosphere. Astrophys. J. 1983, vol. 270, pp. 288-299. DOI:https://doi.org/10.1086/161121.
38. ёSolanki 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:https://doi.org/10.1038/nature02035.
39. Strous L.H., Scharmer G., Tarbell T.D., Title A.M., Zwaan C. Phenomena in an emerging active region. I. Horizontal dyna-mics. Astron. Astrophys. 1996, vol. 306, pp. 947-959.
40. 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:https://doi.org/10.1086/308071.
41. 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.
42. 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.
43. Van Driel-Gesztelyi L., Petrovay K. Asymmetric flux loops in active regions. Solar Phys. 1990, vol. 126, pp. 285-298. DOI:https://doi.org/10.1007/BF00153051.
44. 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.
45. 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:https://doi.org/10.1007/BF00162632.
