Supergranulation as a Tracer of Solar-Cycle Variability
NASA Ames Research Center（美国国家航空航天局艾姆斯研究中心）；University of Delaware（特拉华大学）；Princeton University（普林斯顿大学）
研究利用自动化框架，通过时间距离日震学推断的地下水平速度图识别和表征超米粒结构，分析16年SDO/HMI观测数据，揭示超米粒特性与太阳活动周期的关系，确立其为近表面对流变化的敏感示踪剂。
2026-11-02 astro-ph.SR
The Sun's Supergranulation
超颗粒化是发生在太阳光球层中的一种流体动力学现象，主要表现为一种活跃的胞状流型，其水平尺度约为30- 35 m2，动力学演化时间为24- 48 h，水平流动分量为300- 400 m/s（rms），垂直流动分量为20- 30 m/s。超颗粒现象在六十多年前就被发现了，然而，解释它的物理起源和最重要的观测特征已经被证明是极具挑战性的，因为这个问题固有的多尺度、非线性动力学复杂性，同时又有很强的观测和计算限制。随着21世纪超级计算资源的出现以及对太阳表面动态进行高时空分辨率全球观测的可用性，这一问题正在取得关键进展。本文提供了一个详尽的评论观测，数值和理论研究超颗粒，并讨论了我们的理解其起源和动力学的现状，最重要的是在大规模的非线性热对流，在最近的研究结果的选择。
2018-07-04 astro-ph.SR
Reconstruction of Solar Subsurfaces by Local Helioseismology
局部日震学为我们探索太阳内部动力学和发电机开辟了新的领域。局部日震学通过从表面上观察到的随机振荡中提取穿过内部并携带关于地下扰动和流动的信息的声波的相干信号来重建地下结构和流动。通过对5年SDO/HMI数据重建的次表层流图的初步分析，揭示了研究和理解安静太阳和活动区的动力学以及随太阳活动周期的演变的巨大潜力。特别是，我们的研究结果表明，活动区的出现和演化伴随着多尺度的流型，磁流表现出与磁活动密切相关的南北不对称性。纬向环流速度的纬向变化主要局限于次表层，可能与大尺度辐合气流有关。因此，这些变化不一定影响磁通量传输。南北不对称性在差异旋转的变化（“扭转振荡”）中也很明显。次表面动力学螺旋度密度的代理的计算表明，在太阳活动周期的螺旋度不发生变化，超颗粒是近表面螺旋度的一个可能的来源。
2016-07-19 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.geo-ph
Characterizing the spatial pattern of solar supergranulation using the bispectrum
上下文超颗粒的空间功率谱并不能完全表征湍流对流的基本物理特性。例如，它没有描述水平流发散中的非高斯性。目标。我们的目标是统计特征的空间格局的太阳超颗粒超出功率谱。下一阶统计量是双谱。它测量三个傅立叶分量的相关性，并与基础物理中的非线性有关。方法.我们估计的双谱的超颗粒水平表面的发散图，获得使用本地相关跟踪（LCT）和时间-距离日震学（TD）从一年的数据从日震和磁成像仪上的太阳动力学天文台从2010年5月开始。结果我们发现显着的非零和一致的估计的双谱。最强的非线性是目前的三个耦合波矢在超颗粒尺度。这些波矢量与正六边形中的波矢量相同，正六边形用于太阳对流的分析研究。在这些傅立叶分量，双谱是积极的，符合数据中的正偏度和超颗粒优先组成的流出包围的流入网络。我们使用的双谱生成合成发散图是非常相似的数据由一个模型，由一个高斯项和一个较弱的二次非线性分量。因此，我们估计的分数的方差在发散图的非线性组件的顺序为4- 6%。结论.我们建议，双谱分析是有用的理解太阳湍流对流，例如比较观测和数值模型的超颗粒流。该分析也可用于生成合成流场。
2020-02-19 astro-ph.SR nlin.PS physics.flu-dyn
Convectively stabilised background solar models for local helioseismology
在局部日震学中，波传播的数值模拟有助于模拟太阳波与背景太阳模型的扰动相互作用。然而，运动方程的解包括对流模式，可以淹没我们感兴趣的波。出于这个原因，我们选择首先通过改变垂直压力梯度来稳定背景太阳模型。在这里，我们比较我们的对流稳定模型的本征模与标准的太阳能模型（模型S），并找到一个很好的协议。
2010-02-09 astro-ph.SR
Time-distance helioseismology: A new averaging scheme for measuring flow vorticity
时距日震学通过测量太阳表面各点之间的波传播时间，提供有关太阳近表层矢量流的信息。有人提出了具体的旅行时间空间平均数，以区分东西和南北方向的流动，并测量流动的水平发散。然而，还没有专门的测量技术被开发来测量流动涡度。在这里，我们提出了一种新的测量技术，专门用于测量涡度的垂直分量。流体涡度是太阳对流区动力学的基本性质，特别是旋转湍流对流。该方法包括测量波的旅行时间沿太阳表面上的一个封闭的轮廓，以近似的流通沿此轮廓。垂直涡度与顺时针和逆时针传播时间之差有关。我们应用的方法来表征太阳对流的旋涡运动使用日震数据从太阳动力学天文台（SDO/HMI）和迈克尔逊多普勒成像仪板载太阳和日光层天文台（SOHO/MDI）的日震和磁成像仪。远离赤道，垂直涡度和水平辐散之间有明显的相关性。水平外流与北半球的负涡度和南半球的正涡度有关。HMI观测的信号比MDI观测的信号强得多。我们通过与噪声模型的比较来表征信号的空间功率谱。利用这种日震技术可以探测水平波数低于250/RSun的垂直涡度。
2015-01-02 astro-ph.SR
Probing sunspots with two-skip time-distance helioseismology
以前的太阳黑子日震学对太阳黑子的结构和磁场都很敏感。我们的目标是开发一种对磁性成分不敏感的技术，以便更容易将这两个方面分开。我们研究从太阳黑子底面几乎垂直反射的波。时间-距离日震学被用来测量波的传播时间。射线理论和一个详细的太阳黑子模型被用来计算旅行时间进行比较。结果表明，这些大距离波对黑子内的磁场不敏感。观测到了所有太阳现象的最大旅行时间差。有了足够的建模工作，这些应该会导致更好地了解太阳黑子结构。
2018-06-06 astro-ph.SR
Realistic Magnetohydrodynamical Simulation of Solar Local Supergranulation
利用真实物理模型对太阳表面磁对流进行了三维数值模拟。研究了对流运动进入光球上层辐射层的热结构、对流单体的主要尺度和对流的穿透深度。我们采取的太阳光球的一部分，大小为60 x60毫米，在水平方向和深度20毫米，从可见的太阳表面的水平。我们使用一个现实的太阳初始模型，并应用状态方程和恒星物质的不透明度。求解了具有动力粘性和重力的完全可压缩辐射磁流体力学方程。我们适用于：1）磁流体力学的守恒TVD差分格式，2）辐射转移的扩散近似，3）亚网格尺度动力学粘性模拟。在模拟中，我们采用了均匀的二维网格，在垂直方向上的不均匀网格，单元数为600 × 600 × 204。我们使用512个处理器与分布式内存多处理器的超级计算机MVS-100 K在联合计算中心的俄罗斯科学院。
2009-06-29 astro-ph.SR
Surface magnetic field effects in local helioseismology
利用日震全息术，强有力的证据表明，相位（或等效旅行时间）的日震签名在多普勒在太阳黑子内取决于在包含磁场和垂直方向的平面上的视线角。这是在3，4和5兆赫的两个太阳黑子的半影中的速度信号。相敏全息术表明，他们显着影响在一个强大的，适度倾斜的磁场。这项研究表明，地面磁场的影响是潜在的非常重要的局部日震活动区的分析。
2010-02-11 astro-ph.SR
Supergranulation and multiscale flows in the solar photosphere: Global observations vs. a theory of anisotropic turbulent convection
太阳为我们提供了湍流热对流的唯一空间分辨良好的天体物理学例子。虽然太阳光球层湍流的各个方面，如颗粒（一兆水平尺度），已经很好地理解，但更大尺度流动的物理起源和动力学组织的问题，如30兆超颗粒和太阳对流区深处的流动，尽管它们对太阳动力学和磁性很重要，但在很大程度上仍然是开放的。在这里，我们提出了一个新的关键的全球观测表征的多尺度光球流，随后制定了各向异性扩展的Bolgiano-Obukhov理论的流体分层湍流，可以解释其独特的动力学特性。我们的综合分析表明，光球流在超颗粒和颗粒之间的水平范围内的尺度有一个典型的垂直相关尺度为2.5至4 Megameter，并在一个强烈的各向异性，自相似，非线性，浮力动力学制度。虽然该理论在现阶段仍然是推测性的，但它有助于与未来的地下层高分辨率声波层析成像和先进的数值模型进行定量比较。这样的验证工作也可能导致新的见解渐近动力学制度中，其他未解决的湍流各向异性天体物理流体系统支持波或不稳定性操作。
2017-03-13 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Local Helioseismology of Emerging Active Regions: A Case Study
局部日震学提供了一个独特的机会，可以调查活动区域的地下结构和动力学及其对太阳大规模流动和全球环流的影响。我们使用测量的等离子体流在对流层上部，提供的时间-距离日震管道开发的太阳振动数据分析日震和磁成像仪（HMI）的太阳动力学天文台（SDO），调查新兴的活动区NOAA 11726的地下动力学。活动区的出现是在对流带深层出现第一个双极磁结构的前12小时，也就是大部分磁通量出现的前2天。由随深度变化的气流辐散跟踪确定的出露速度约为1.4km/s，与深层出露速度非常接近。当出现的磁通量集中在太阳黑子中时，在形成的太阳黑子下面可以观察到局部的会聚流。这些流动在1-3微米的深度范围内最为显著，并且在形成过程完成后保持会聚。在较大尺度上，活动区附近的辐合流表现为纬向剪切流向活动区的分流，并伴随着大尺度涡旋结构的形成。当大量的磁通量出现在表面上时，该过程发生，并且会聚流型在活动区域的随后演变期间保持稳定。卡林顿天气流图表明，大规模的地下流入是典型的活动区。在较深的层（10-13 Mm）中，流动变得发散，并且在一些活动区域下面令人惊讶地强烈。此外，天气图揭示了一个复杂的演变模式的大规模流动的规模远远大于超颗粒。
2016-07-18 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Evolution and wave-like properties of the average solar supergranule
太阳超颗粒化现象给我们带来了许多谜团。例如，以前在谱空间中的研究发现，超颗粒具有波动性质。在这里，我们研究，在真实的空间中，在一个范围内的空间尺度（从10到80毫米）的平均超颗粒的波浪状演变。我们通过表征相关网络磁场的演变来补充这一点。我们使用一年的数据从日震和磁成像仪（HMI）测量水平近地表流附近的太阳赤道应用时间距离日震多普勒和粒度跟踪强度图像。平均超颗粒流出（或流入）是通过平均超过10000个单独的流出（或流入）来构建的。用HMI视线观测研究了磁场的同期演化。我们确认和扩展以前的测量超颗粒波色散关系的角波数在50<kR <270. We find a plateau for kR>120。在真实空间中，较大的超颗粒比较小的细胞经历更长周期和寿命的振荡。我们发现TD和LCT之间的良好协议，并获得波的性质是独立的跟踪率。观察到的网络磁场跟随超颗粒流的振荡，具有6小时的时间滞后。这种行为可以通过计算超颗粒流携带的软木塞的运动来解释。在太阳赤道附近的表面水平流中，超颗粒波的特征可以在真实空间中观测到。这些振荡流控制着网络磁场的演化，特别是它们解释了最近发现的平均超颗粒周围磁场的东西各向异性。背景流动测量，我们从多普勒频移不赞成超颗粒浅模型。
2018-05-31 astro-ph.SR
Anisotropy of the solar network magnetic field around the average supergranule
宁静太阳中的超微粒由一个增强了磁场强度的网状结构勾勒出来，即所谓的磁网络。我们的目标是映射磁盘中心附近的平均超颗粒周围的磁网络场。我们使用观测的视线分量的磁场从日震和磁成像仪（HMI）板载太阳动力学天文台（SDO）。平均超颗粒是由3000多个单独的超颗粒共同排列和平均而成的。我们确定的超颗粒的位置与图像分割算法，我们应用在地图上的水平流发散使用时间距离日震学测量。在平均超颗粒的中心，磁场（内部网络）比背景值（3.5高斯）弱约2.2高斯，而在周围的水平流入环中，磁场增强（平均约0.6高斯）。我们发现，这个网络领域是显着更强的平均超颗粒的西部（约0.3高斯）比东部。利用时距日震学，我们发现了类似的各向异性。观测到的磁场的各向异性增加了太阳超颗粒的神秘动力学性质。
2015-06-11 astro-ph.SR
Comparison of solar surface flows inferred from time--distance helioseismology and coherent structure tracking using HMI/SDO observations
我们使用日震时间-距离反演和相干结构跟踪太阳颗粒的太阳表面上的水平流的测量进行比较。跟踪提供了太阳表面上的二维水平流，而时间-距离反演估计了浅近地层中的全三维速度流。这两种技术都使用HMI观察作为输入。我们发现从这两种技术产生的各种测量之间的良好的相关性。此外，我们发现这些测量值和时间平均多普勒视线速度之间有很好的一致性，并且还对由3-D时间-距离反演产生的垂直流进行了合理性检查。
2013-05-04 astro-ph.SR
An Average Supergranule: Much Larger Vertical Flows Than Expected
超颗粒被认为是大规模地下对流的证据。超颗粒流场的垂直分量是很难测量的，但它被认为是在光球层内和光球层以下只有几米/秒。在这里，我提出的分析结果，使用三维反演的时间-距离日震学，表明存在的大幅度垂直上升流在近地表层。这种推断可能的问题和后果进行了讨论。
2013-01-09 astro-ph.SR
Sensitivity of helioseismic travel-times to the imposition of a Lorentz force limiter in computational helioseismology
阿尔文波速度随着太阳表面高度的快速指数增长，对磁场对太阳振荡影响的物理建模提出了严峻的挑战，因为它为显式数值代码引入了重要的CFL时间步长约束。在计算日震学中，通常需要超过10小时（数百个波周期）的长时间模拟，当洛伦兹力和水动力之间的比值变得太大时，通过人为修改动量方程来限制阿尔文波的速度。然而，最近的研究表明，阿尔文波的速度在MHD模式转换过程中起着至关重要的作用，特别是在确定向上传播的日震快波的反射高度。利用数值模拟的日震波传播在恒定倾斜（相对于垂直）磁场，我们证明了这种人为限制器的实施显着影响时距旅行时间，除非阿尔文波速度上限是舒适地选择超过调查中的水平相速度。
2014-01-21 astro-ph.SR
Validating Time-Distance Helioseismology With Realistic Quiet Sun Simulations
线性时距日震反演矢量流速度进行测量，从两个$\sim 100^2\,{\rm Mm^2}\times 20\,{\rm Mm}$现实磁流体静日模拟约20小时的旅行时间。目标是测试目前的地震方法对这些国家的最先进的模拟。使用最近的三维反演方案，我们发现，倒置的水平流图相关的模拟在上$\sim 3$ Mm的域的几个过滤方案，包括相速度，脊，相速度和脊相结合的测量。然而，在某些情况下，反演的速度幅值严重低估了模拟的速度幅值，这可能表明正问题的非线性。我们还发现，虽然近地表反演的垂直velocites最好使用相速度滤波器，在几乎所有其他的例子中，这些流量是不可挽回的，由于噪声，这表明需要统计平均，以获得更好的推论。
2014-04-17 astro-ph.SR
Constructing semi-empirical sunspot models for helioseismology
日震学的目标之一是确定太阳黑子的地下结构。为了做到这一点，重要的是首先要了解太阳黑子对太阳波的近地表影响，这是占主导地位的。在这里，我们构建简化的，圆柱对称的太阳黑子模型，其目的是捕捉来自约500公里以下的安静的太阳$τ_{5000}=1$水平较低的色球层的磁和热力学效应。我们结合了现有的太阳黑子热力学结构（密度、温度、压力）的半经验模型：Maltby等人（1986）的本影模型和Ding和Fang（1989）的半影模型。OPAL状态方程表被用来推导声速剖面。我们平滑地将近地表属性合并到地表以下约1 mm处的安静太阳值。本影半径和半影半径是自由参数。将磁场添加到热力学结构，而不需要静磁平衡。假设磁场的垂直分量具有高斯水平分布，最大表面场强由表面观测确定。全磁场矢量是螺线管形的，并由轴上垂直场确定，在表面上，选择轴上垂直场，使得在本影-半影边界处的场倾角为45 $^\circ$。本文根据SOHO/MDI对NOAA 9787活动区太阳黑子的观测资料，建立了一个特殊的太阳黑子模型。利用数值模拟f、p $_1$和p $_2$波包的传播，研究了模型太阳黑子的日震特征。这些模拟进行了比较所观察到的波场的互协方差。我们发现，太阳黑子模型给出了一个日震签名，是类似的观察。
2010-03-02 astro-ph.SR
Phase Shifts Measured in Evanescent Acoustic Waves above the Solar Photosphere and Their Possible Impacts to Local Helioseismology
一组464分钟的高分辨率高节奏的观测获得了一个区域附近的太阳的磁盘中心使用干涉仪的双维光谱仪（IBIS）安装在邓恩太阳望远镜。从近似对应不同大气高度的谱线平分线得到10组多普勒图，其中两组多普勒图是用类MDI算法和重心法得到的。然后对这些数据进行滤波，只保留声学模式，并计算不同大气高度的多普勒速度之间的相移作为声频的函数。频率和高度相关的相移的分析表明，对于倏逝声波，在较高的大气中的振荡导致在低层大气中的1秒的顺序时，他们的频率是低于约3.0 mHz，和滞后约1秒时，他们的频率是高于3.0 mHz。不可忽略的相移也被发现在系统向上或向下流动的地区。所有这些与频率相关的相移不能用垂直流动或对流蓝移来解释，而可能是由于光球层及其上方非绝热大气中复杂的流体动力学和辐射转移造成的。倏逝波中的这些相移对解释一些当地日震测量结果提出了巨大挑战，这些测量结果涉及在不同大气高度或具有系统垂直流的区域获得的数据。需要对这些相移进行更多的定量表征，以便在测量过程中将其去除，或者在日震反演中将其考虑在内。
2022-05-20 astro-ph.SR
Tomography of plasma flows in the upper solar convection zone using time--distance inversion combining ridge and phase-speed filtering
本文通过比较时距日震学中常用的两种k-ω滤波方法--脊滤波和相速滤波，检验了太阳对流层上部等离子体流水平分量在超颗粒尺度上时距反演的一致性。结果表明，这两种方法导致类似的流量估计时，使用有限频率灵敏度内核。它进一步表明，反演的性能提高（同时更好地平均内核和较低的噪声水平），当这两种方法结合在一起，在一个反演。使用组合反演，我反演了太阳对流区上部10毫米的水平流动。与超颗粒相关联的流动似乎仅在上部~5 Mm的深度是连贯的，更深处有对流尺度向比超颗粒更大的结构变化的暗示。
2013-07-18 astro-ph.SR
Time-Distance Helioseismology of Two Realistic Sunspot Simulations
线性时距日震反演是利用几种滤波方案进行的，以确定矢量流速度在两个$\sim100^2\,{\rm Mm^2}\times 20\,{\rm Mm}$现实磁流体动力学太阳黑子模拟的25小时。一个模拟域包含一个完整的太阳黑子模型（即一个本影和半影），而另一个包含一个孔（即一个点没有半影）。目标是使用这些最先进的磁结构模拟来测试当前的日震方法。我们发现，在距点中心25- 30 μ m处，反演流图和模拟流图之间的水平流相关性在3 μ m以上相当高（$\sim0.5$-0.8），但在较小的距离和较大的深度处则明显较低。反演的正演模拟的旅行时间始终优于我们测量的旅行时间的水平流相关性，这表明我们无法恢复这些活跃地区附近的流动结构，主要是由于这样一个事实，即我们无法准确地测量旅行时间附近的强磁性功能。在许多情况下，反演的速度幅值低估了模拟的速度幅值高达50%，这可能表明正演问题的非线性。在每一种情况下，我们发现，我们的反演是无法恢复的垂直流动结构的模拟在任何深度。
2014-08-14 astro-ph.SR
Combined helioseismic inversions for 3D vector flows and sound-speed perturbations
时距日震学是通过波的传播时间研究波在太阳内部传播的方法。波包的传播时间包含关于沿着波的传播路径积分的内部条件的信息。我们介绍了一种改进的方法的时间-距离日震学，它允许我们一次反演一个完整的三维矢量的流量和声速扰动。使用这种方法，人们还可以推导出平均值的垂直分量的流量和串扰之间的流量和声速扰动。我们使用SOLA方法与串扰的最小化作为逆建模的工具。在正演模型中，我们使用Born近似走时灵敏度核函数，并以S模型为背景。该方法进行了验证，使用正向建模的旅行时间与平均值和差异点到环平均的几何形状应用到一个快照的完全自洽模拟的对流。我们在合成数据上测试了该方法。我们证明，我们能够恢复近地层中的流量和声速扰动。我们利用了我们的方法对整个垂直速度的敏感性，而不仅仅是像其他可用的方法那样对它的变化敏感。垂直流分量和声速扰动的串扰对于水平流分量的反演只有可忽略的影响。矢量流的垂直分量或声速扰动的反演受水平分量的串扰影响，需要将其最小化，以提供有效的结果。似乎有一个几乎恒定的矢量流的垂直分量和声速扰动之间的串扰。
2019-01-04 astro-ph.SR
Constructing and Characterising Solar Structure Models for Computational Helioseismology
在本文中，我们通过修改模型S（Christensen-Dalsgaard等人，1996，Science，272，1286）放弃流体静力平衡。然而，稳定化会影响我们希望尽可能接近模型S的本征模。为了恢复Model S的本征模，我们选择在稳定之前对Model S的声速进行额外的修正。没有稳定的模型可以完美的太阳一样，所以我们提出了三个稳定的模型略有不同的本征模式。该模型适用于研究球谐度在400 ~ 900范围内的f模和p1 ~ p4模。背景模型CSM具有用于稳定的修改的压力梯度，并且具有在模型S的2%内的本征频率。模型CSM_A在顶部1 Mm处的声速增加了10%，导致本征频率在模型S的2%以内，并且本征函数与CSM相比最接近于模型S的本征函数。模型CSM_B在顶部5 Mm处的声速降低3%，导致本征频率在模型S的1%内，本征函数仅受到轻微的不利影响。这些模型是有用的，以研究太阳波与嵌入的三维非均匀性，如对流和模型太阳黑子的相互作用。我们还计算了响应的稳定模型随机近地表源的激励，使用模拟的线性波的传播。我们发现模拟的波动功率谱与观测到的SOHO/MDI功率谱吻合得很好。总的来说，我们的对流稳定的背景模型提供了一个很好的基础，定量数值当地日震学。这些模型可从http://www.mps.mpg.de/projects/seismo/NA4/下载。
2011-06-06 astro-ph.SR
Cyclic Changes of the Sun's Seismic Radius
太阳是否会随着太阳活动而收缩，以及是什么原因导致了这一点，一直是一个争论的话题。日震学通过分析地表重力（f）模式的振荡频率，提供了高精度测量地下层径向位移（也称为“地震半径”）的手段。在这里，我们提出了一个新的分析结果的21年的日震学数据从两个空间任务，太阳和日光层天文台（SoHO）和太阳动力学天文台（SDO），这使我们能够解决以前的不确定性，并比较地震半径的变化在两个太阳周期。在去除与表面活动有关的f-模频率变化后，我们发现在太阳极大期，平均地震半径减小了1-2 km，并且太阳半径的最显著变化发生在太阳可见表面以下约5 Mm的深度处，其中半径减小了5-8 km。这些变化可以解释为主要由垂直~10 kG磁场引起的太阳次表层结构的变化。
2018-05-23 astro-ph.SR
Quasi full-disk maps of solar horizontal velocities using SDO/HMI data
这是第一次，粒子的运动（太阳等离子体的表面上的尺度大于2.5毫米）已遵循整个可见的太阳表面，使用SDO/HMI白光数据。采用一种新的相干结构跟踪算法对图像进行相关跟踪，得到水平速度场，其空间分辨率和时间分辨率分别为2.5 μ m和30 min。从这个重建，使用多分辨率分析，人们可以得到在不同尺度的速度场及其导数，如水平散度或垂直分量的涡度。对于30分钟的时间序列和2.5微米的网格尺寸，速度的固有误差为~0.25公里/秒。与颗粒速度相比，这是可以接受的，颗粒速度的范围在0.3公里/秒和1.8公里/秒之间。已发现Hinode和SDO/HMI计算的速度之间的高度相关性（85%）。从这些数据中，我们推导出超颗粒水平速度场、太阳自转差和日冕速度的功率谱。
2012-03-02 astro-ph.IM astro-ph.SR
On the power spectrum of solar surface flows
这项工作的目的是通过确定速度和强度场的水平尺度依赖性（如它们的功率谱所表示的），对太阳表面流给出新的观测约束，并提供一些理论指导来解释这些谱。我们使用SOT/Hinode拍摄的长时间序列图像，在75 × 75 Mm^2的视场中重建水平（通过颗粒跟踪）和垂直（通过多普勒效应）速度场。在小的亚颗粒尺度下，与垂直运动相关的动能谱密度呈现出类似k^{-10/3}的谱，而强度起伏谱在两个连续谱水平（分别为525和450 nm）下遵循类似k^{-3}或k^{-17/3}的谱。我们讨论了这些缩放的物理起源，并认为它们提供了一个直接的观测签名浮力驱动的湍流动力学在一个强热扩散制度。在中尺度范围内，直到25 μ m尺度，垂直速度场振幅随水平尺度L的增大呈L^{-3/2}式减小。这种行为对应于k^2谱幂律。仍然在中尺度范围[2.5，10]Mm内，我们发现蓝色连续谱中的强度起伏遵循k ^2的幂律。我们表明，颗粒跟踪不能采样尺度低于2.5微米。我们将超颗粒能量峰定位在30微米左右，并表明孔隙的出现消除了这个光谱峰。由于尺度高度估计，我们发现，超颗粒流是浅的。（摘要摘要）。
2010-01-08 astro-ph.SR
Full Waveform Inversion of Solar Interior Flows
太阳内部物质流动的推断是日震学的一个主要研究课题。在这里，我们应用技术的全波形反演（FWI）的合成数据来测试流动反演。在这个理想化的设置中，我们不对地震实现噪声进行建模，训练的重点完全放在所选择的超颗粒流模型是否可以被地震恢复的问题上。我们将失配函数定义为预测和观测之间的旅行时间的L_2范数偏差之和，如使用短距离f和p_1滤波和大距离未滤波的$p$模式测量的。FWI允许引入选择的测量并迭代地改进背景模型，同时监控所有期望类别中的失配的演变。虽然失配在所有类别中均匀减少，但收敛到真正的模型非常缓慢，可能是因为它陷入了局部最小值。误差的主要来源是不准确的深度定位，由于密度分层，导致水平和垂直流速的错误比率（“串扰”）。在本公式中，缺乏足够的时间频率和空间分辨率使得难以准确地定位深度处的流动剖面。因此，我们建议，发现全局最小值的最有效方法是执行概率向前搜索，包括计算与广泛的模型（例如，由蒙特卡洛算法生成）相关的失配，并定位最深的最小值。这种技术具有能够量化模型不确定性以及实现噪声（数据不确定性）的额外优势。
2014-10-08 astro-ph.EP astro-ph.SR
The ratio of horizontal to vertical displacement in solar oscillations estimated from combined SO/PHI and SDO/HMI observations
本文利用SO/PHI和SDO/HMI的7.5小时同步观测直接测量太阳振荡的水平与垂直位移之比，发现其符合标准太阳模型的绝热振荡预期，但不符合常用近似，且为实数值。
2023-03-29 astro-ph.SR
The Role of Subsurface Flows in Solar Surface Convection: Modeling the Spectrum of Supergranular and Larger Scale Flows
我们的太阳水平速度功率谱模型的尺度大于颗粒使用两个组件的近似质量连续性方程。该模型采用四倍的密度尺度高度作为每个深度的垂直运动的积分（驱动）尺度。比这更大的尺度从更深的层随高度衰减。那些较小的假设遵循Kolomogorov湍流级联，在垂直对流运动的总功率匹配所需的混合长度公式传输的太阳光度。这些模型组件验证使用大规模辐射流体动力学模拟。我们得出两个主要结论：1。该模型预测显着更多的功率在低波数比在太阳光球水平速度谱中观察到的。2.电离在塑造观测到的太阳速度谱中起着次要的作用，通过减少部分氦电离区域的对流振幅。在采用真实状态方程的完全非线性三维辐射流体动力学模拟中也可以看到过量的低波数功率。这增加了最近的其他证据，表明太阳大规模对流运动的振幅明显低于预期。采用相同的功能跟踪算法与观测数据的模拟输出，我们表明，所观察到的低波数功率可以再现在流体动力学模型，如果大尺度模式的振幅在深层被人为地减少。由于大尺度模式的振幅降低，超颗粒尺度和更小的模式仍然是重要的对流热通量，即使在深层，这表明小尺度对流相关性保持通过大部分的太阳对流区。
2014-07-11 astro-ph.SR
Plasma flows and sound-speed perturbations in the average supergranule
超颗粒在光球速度特征的空间光谱中产生一个峰值。它们具有对流单体的一些性质，但它们的起源在文献中仍有争议。时距日震学是研究超颗粒深部结构的一种有效方法。我们的目标是建立模型的平均超颗粒细胞使用完全一致的时间-距离反演方法。我们使用了多通道减法最优局部平均反演方法，并对串扰进行了正则化。我们结合的差异和平均走时平均几何。我们应用这种方法来平均超过10000个个体的超颗粒细胞的旅行时间地图。这些细胞被自动检测到的旅行时间地图计算为64个安静的天周围的光盘中心。系综平均法使我们能够显着提高信噪比，并获得一个清晰的图片中的平均超颗粒的流动。我们发现近地表的水平辐散流随着深度的增加而迅速单调地减弱;在大约7毫米的深度处，它们变得特别弱，甚至明显地改变了符号。为了了解垂直分量，我们从表面积分连续性方程。得出的垂直流估计值显示，地下水流速从地表的约5 m/s增加到约3 Mm深度的约35 m/s，然后单调下降到更大的深度。垂直流保持积极的（上升流），并成为难以区分的背景在深度约15微米。我们进一步检测到系统的纵向流动。这一系统流随深度变化的过程与次表层太阳自转模型吻合得很好。
2021-01-14 astro-ph.SR
Incorporating Surface Convection into a 3D Babcock-Leighton Solar Dynamo Model
光球上观测到的对流（例如，超粒化（supergranulation，granulation）在从太阳黑子场产生大尺度极场的Babcock-Leighton（BL）过程中起关键作用。在大多数的地面通量输运（SFT）和BL发电机模式中，地面场的扩散和迁移被模拟为有效的湍流扩散。最近的SFT模型已纳入明确的，现实的对流流动，以提高对流传输的保真度，但据我们所知，这还没有实现在以前的BL模型。由于大多数通量输运（FT）/BL模型是轴对称的，它们没有能力包括这样的流动。我们提出了第一个运动学三维FT/BL模型，明确纳入现实的对流太阳观测的基础上。虽然我们描述了一种方法来概括这些流到3D，我们发现，他们产生的运动学小规模发电机动作破坏的循环发电机的操作。通过限制对流仅作用于磁场的垂直径向分量来找到循环解。获得的结果通常与观察到的表面通量演变以及湍流扩散率为$3 \times 10^{12}$ cm $^2$ s $^{-1}$（300 km $^2$ s $^{-1}$）数量级的非对流模型非常一致。然而，我们发现，湍流扩散系数的使用低估了发电机效率，产生较弱的平均场和较短的周期比对流模型。此外，对流模式在极地地区表现出混合极性带，在太阳观测中没有对应的。此外，显式计算的湍流电动势（emf）与扩散通量几乎没有相似之处。我们还发现，极向通量的向极迁移速度主要由纬向流和垂直扩散决定。
2018-04-09 astro-ph.SR
Validated helioseismic inversions for 3-D vector flows
根据时距日震学，关于内部流体运动的信息被编码在太阳波的传播时间中。逆问题包括推断3-D矢量流从一组旅行时间测量。在这里，我们调查的潜在的时间距离日震学推断3-D对流速度在太阳近地表层。我们开发了一个新的减最优局部平均（SOLA）代码适用于管道伪自动处理。与其前身相比，该代码通过考虑额外的约束进行了改进，以便在给定的噪声水平内获得正确的答案。本研究的主要目的是验证我们的反演代码所获得的结果。我们模拟旅行时地图使用快照从太阳对流的数值模拟，现实玻恩旅行时灵敏度内核，和旅行时噪声的现实模型。这些合成的旅行时间被反转的流量和结果与已知的输入流场进行比较。在反演中实现了额外的约束：流量分量之间的串扰最小化和反演系数的空间定位。使用模式f，p1到p4，我们表明，水平对流流速可以推断没有偏见，在一个信噪比大于一个在顶部3.5毫米，只要观测跨度至少四天。速度的垂直分量（v_z）如果较弱，则更难以推断，并且受到来自水平速度分量的串扰的严重影响。我们强调，这种串扰必须明确地最小化，以检索v_z在顶部1微米。我们还表明，统计平均在许多不同地区的太阳允许可靠地测量的平均性能的所有三个流组件在顶部5.5微米的对流区。
2011-04-20 astro-ph.SR
Interpretation of Helioseismic Travel Times - Sensitivity to Sound Speed, Pressure, Density, and Flows
时距日震学利用太阳表面波动的互协方差来确定波包从一个表面位置移动到另一个表面位置的旅行时间。我们审查的方法来解释旅行时测量的小，局部扰动水平均匀的参考太阳模型。使用第一玻恩近似，我们推导和计算三维走时灵敏度（Fréchet）内核的扰动声速，密度，压力和矢量流。虽然之前已经计算了声速和流量的内核，但在这里，我们将计算扩展到密度和压力的内核，从而提供了太阳动力学和结构对旅行时间影响的完整描述。我们把三个热力学量作为独立的，不假设流体静力学平衡。我们提出了一个方便的方法来计算阻尼格林函数使用正常模式求和。格林函数必须在波数网格上计算，该网格具有足够的分辨率来解决最长寿命模式。本文中使用的典型内核计算是计算机密集型的，每个内核需要600 CPU小时的数量级。通过计算水平不变扰动导致的旅行时扰动，使用两种独立的方法验证内核。在固定的声速下，密度和压力核通过负乘法因子近似相关，因此意味着密度和压力的扰动难以解开。平均走时不仅对声速、密度和压力扰动敏感，而且对流动，特别是垂直流动敏感。需要精确的灵敏度核来解释复杂的流动模式，如对流。
2015-08-11 astro-ph.SR
Lithium depletion and angular momentum transport in solar-type stars
在太阳型恒星的辐射内部发生的输运过程可以通过轻元素（特别是Li）的表面变化及其自转速率的演变来证明。对于太阳，日震数据的反演表明，其辐射区的角速度的径向分布几乎是均匀的，这意味着角动量传输机制的存在。虽然有许多独立的角动量和化学物种的传输模型，有一个缺乏自洽的理论，允许恒星演化模型，以同时匹配目前的太阳锂丰度和径向旋转配置文件的观测。我们探讨如何额外的运输过程可以提高旋转恒星的演化模型和观测之间的协议。我们约束由此产生的模型，同时使用的演变的表面旋转速率和锂丰度的太阳型恒星的疏散星团，和太阳表面和内部的旋转配置文件从日震学反转。我们证明了穿透对流与Li耗尽的相关性。旋转的穿透对流的深度的依赖性产生的初始旋转速率和锂耗尽之间的反相关性，在我们的太阳型恒星的模型，与观察到的趋势一致。同时，增加一个特设的垂直粘度导致有效的传输角动量之间的核心和信封。我们还自洽计算的速度跃层的厚度的第一次，并发现它是兼容的日震估计。然而，在太阳型恒星的主序星亏损的锂只有复制时，添加一个参数的湍流混合下面的对流信封。证实了在恒星演化模型中需要附加的输运过程。
2020-12-07 astro-ph.SR
