Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
In this paper, we came to the conclusion that there is a systematic error in SDO/HMI (Helioseismic and Magnetic Imager aboard the Solar Dynamics Observatory) vector magnetic data, which reveals itself in a deviation from the radial direction of the knot mag-netic fields manifesting themselves on magnetograms in the form of small grains in a strong magnetic field. This deviation demonstrates a dependence on the distance to the disk center, which cannot be a property of the magnetic field – it can only be artificially introduced into the data. We suggest a simple method for correcting vector magnetograms, which eliminates the detected systematic error.
Sun, magnetic field, vector magnetograms
ВВЕДЕНИЕ
Векторные магнитные данные, получаемые космическим аппаратом SDO/HMI, представляют собой значительный прорыв в солнечной магнитографии. Пространственное разрешение, качество векторных магнитограмм полного диска, регулярность и высокая скважность наблюдений не имеют аналога ни в наземных, ни во внеатмосферных измерениях. Неоценим и тот вклад, который может дать в ближайшем будущем постоянно пополняющийся временной ряд непрерывных наблюдений для прогнозирования космической погоды и фундаментальных исследо-ваний магнитной природы активности Солнца. Мы можем ожидать существенное улучшение достоверности прогноза параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля (ММП), в частности, его полярности в околоземном космическом пространстве благодаря возможности использования новых векторных синоптических карт [Gusain at al., 2013].
Ранее для этих целей использовались синоптические карты только продольного поля. Преимущество использования новых векторных синоптических карт обусловлено двумя моментами. Во-первых, используя векторные измерения, мы получаем возможность экстраполяции поля по радиальной компоненте граничного поля (задача Неймана). С физической точки зрения такая постановка задачи экстраполяции более оправдана по сравнению с постановкой задачи экстраполяции по продольной компоненте, поскольку реальные измерения проводятся на уровне, где еще заведомо не выполняются не только потенциальное, но и общее бессиловое приближение. В этих условиях разные краевые задачи неизбежно должны приводить к различным результатам экстраполяции, которые, в частности, будут давать и различные значения компоненты радиального поля на границе. Во-вторых, мы строим синоптическую карту Br как скалярной величины в отличие от карт продольной магнитной компоненты Blos. Это является важным моментом, поскольку построение синоптического распределения для нескалярной величины не вполне корректно.
Для любого большого проекта, запускающего в широкое пользование поток новой физической информации, является важным удаление любых значимых ошибок искусственного или естественного происхождения, если таковые присутствуют и могут быть выявлены, или до начала использования этой информации, или на его начальной стадии. Именно такого рода проблеме для новых данных SDO/HMI и посвящена наша работа. В ней мы устанавливаем факт наличия существенной систематической ошибки в предоставляемых данных. Эта ошибка явно выявляется нами из анализа данных измерений узелковых магнитных полей, концентрирующихся в узлах сетки конвективных ячеек спокойного Солнца. Узелки проявляются на магнитограммах в виде мелких зерен сильного магнитного поля и являются результатом сгребания магнитных трубок горизонтальными движениями окружающей плазмы, приводящего к концентрации магнитного потока и последующей радиализации поля. Свойство компактности узелковых полей и значительное превышение фоновых значений (>500 Гс) дают возможность их выделения с помощью достаточно простого алгоритма. Присущее узелковым полям свойство радиальности ис-пользуется в качестве основного критерия тестирования данных измерений магнитного поля. В разделе 1 показано, что любая векторная магнитограмма SDO/HMI обнаруживает одинаковое систематическое отклонение (до 20°) узелкового поля от ради-ального направления в сторону лимба, зависящее от расстояния до центра диска. Поскольку результат наблюдения не должен зависеть от положения наблюдателя, делаем вывод, что выявленная зависимость может иметь только искусственную причину, возможно, не устранимую в современных технологиях получения и обработки параметров Стокса, используемых для получения конечных значений векторного магнитного поля. В разделе 2 мы предлагаем идею коррекции исходных векторных магнитограмм, основанную на предположении, что систематическое отклонение на самом деле не зависит от места измерения на диске и является следствием ошибки измерения угла наклонения поля относительно луча зрения. Проявления этой ошибки в узелковых полях приводят к ее видимой зависимости от расположения на диске. Мы показываем, что наша коррекция почти убирает эффекты неестественного поведения узелковых полей.
1. Gusain S., Pevtsov A.A., Rudenko G.V., Anfinogentov S.A. First synoptic maps of photospheric vector magnetic field from SOLIS/VSM: Non-radial magnetic fields and hemispheric pattern of helicity // Astrophys. J. 2013. V. 772, N 1. P. 52. DOI:https://doi.org/10.1088/0004-637X/772/1/52.
2. Leka K.D. Barnes G., Wagner E.L. Radial magnetic field component from line-of-sight magnetograms // Solar Phys. 2017. V. 292, iss. 2, article id. N 36. 26 pp. DOI:https://doi.org/10.1007/s11207-017-1057-8.
3. Riley P., Linker J.A., Miki´c Z., Lionello R., Ledvina S.A., Luhmann J.G. A Comparison between global solar magnetohydrodynamic and potential field source surface model results // Astrophys. J. 2006. V. 653. P. 1510. DOI:https://doi.org/10.1086/508565.
4. Riley P., Ben-Nun M., Linker J.A., Mikic Z., Svalgaard L., Harvey J., Bertello L., Hoeksema T., Liu Y., Ulrich R. A multi-observatory inter-comparison of line-of-sight synoptic solar magnetograms // Solar Phys. 2014. V. 289. P. 769. DOI:https://doi.org/10.1007/s11207-013-0353-1.
5. Rudenko G.V., Anfinogentov S.A. Very fast and accurate azimuth disambiguation of vector magnetograms // Solar Phys. 2014. V. 289. P. 1499-1516. DOI:https://doi.org/10.1007/s11207-013-0437-y.
6. Sun X., Hoeksema J.T., Liu Y., Wiegelmann T., Hayashi K., Chen Q., Thalmann J. Evolution of magnetic field and ener-gy in a major eruptive active region based on SDO/HMI observation // Astrophys. J. 2012. V. 748. P. 77. DOI:https://doi.org/10.1088/0004-637X/748/2/77.
7. Tadesse T., Wiegelmann T., Inhester B., MacNeice P., Pevtsov A., Sun X. Full-disk nonlinear force-free field extrapolation of SDO/HMI and SOLIS/VSM magnetograms // Astron. Astrophys. 2013. V. 550. P. A14. DOI:https://doi.org/10.1051/0004-6361/201220044.
8. Thalmann J.K., Pietarila A., Sun X., Wiegelmann T. Non-linear force-free field modeling of a solar active region using SDO/HMI and SOLIS/VSM data // Astrophys. J. 2012. V. 144. P. 33. DOI:https://doi.org/10.1088/0004-6256/144/2/33.
