Μελέτη στροβιλοειδών ροών στην ηλιακή ατμόσφαιρα

Abstract

The solar atmosphere hosts a large number of plasma phenomena that occur at various spatial and temporal scales. Over the recent decades, the unprecedented increase of the resolution of solar telescopes combined with the optimization of observational techniques and the implementation of state-of-the-art modelling has revealed several small-scale phenomena in the solar atmosphere, which, despite their emergence in theoretical studies and simulations, eluded, until recently, direct observation. The small-scale vortical motions, turbulent flows and swirling structures manifested in the atmosphere of the quiet Sun, compose a group of such phenomena and fall in to the scope of the current thesis. Solar tornadoes are magnetic structures, which are twisted due to the effect of turbulent plasma of the upper layers of the convection zone on the local magnetic field. Resent studies suggest that this an obiquitous phenomenon on the Sun, while there are strong indications that these structures contribute significantly to the propagation of magneto-hydrodynamic (MHD) waves, as well as, to the transfer of mass, momentum and energy between the layers of the lower and the upper solar atmosphere. In observations of the chromosphere solar vortices, tornadoes and tornado-like phenomena manifest themselves as spiral- or circular-like dark features, called chromospheric swirls. In this thesis, we conduct an extensive and multifaceted study of the observational signature of solar vortices in the solar chromosphere, i.e., chromospheric swirls. For our study, we used two high-resolution, multi-spectral Datasets (I and II), obtained in a quiet Sun region at the center of the solar disk in the spectral lines Hα, Ca II 8542 Angstrom, and Ca II K, using the CRisp Imaging SpectroPolarimeter (CRISP) and the CHROMospheric Imaging Spectrometer (CHROMIS) instruments at the ground-based Swedish 1-m Solar Telescope (SST). These were complemented with simultaneous, spatially and temporally coaligned observations of intensity (filtergrams) from the space missions Interface Region Imaging Spectrograph (IRIS) and Solar Dynamics Observatory (SDO). We developed a novel automated detection algorithm for these structures, which exploits their morphological characteristics and can be applied both to observations and simulations. The application of this algorithm to the chromospheric observations from both instruments revealed a large population of swirls, forming the largest statistical sample of Hα observations to date. Using this statistical sample, we conducted an extensive statistical analysis to determine the populations and significant physical characteristics of chromospheric swirls (surface density, occurrence rate, radius, lifetime). Following the application of the algorithm on different chromospheric spectral lines, namely the Hα, Ca II 8542 Angstrom, and Ca II K, we identified swirls at different heights -isolating common detections in the solar chromosphere- and studied the temporal evolution of their morphology and their connection with the photosphere and the upper chromosphere. Using spatially and temporally coaligned images from various filters from the IRIS and SDO space missions, we investigated the morphological response of the swirls in the transition region and the solar corona. We studied the observational profiles of the chromospheric spectral lines Hα, Ca II 8542 Angstrom, and Ca II K, within the swirling spirals performing simultaneously a comparative analysis with their surrounding areas, calculating and analysing, both quantitatively and qualitatively, significant physical parameters, as well as their correlations, with the aim of estimating their dynamic and kinematic state. By comparing the observational profiles with synthetic profiles —derived from the combined use of the realistic 3D MHD simulation of the solar atmosphere (Bifrost) and the 1D radiative transfer code RH— we attempt to estimate their temperature and formation height in the chromosphere.

Η ηλιακή ατμόσφαιρα φιλοξενεί έναν μεγάλο αριθμό από φαινόμενα που οφείλονται στην αλληλεπίδραση πλάσματος και μαγνητικού πεδίου. Τα φαινόμενα αυτά εμφανίζονται σε ποικίλες χωρικές και χρονικές κλίμακες και παρατηρούνται σε όλα τα μήκη κύματος από τις ακτίνες Χ, έως τα ραδιοκύματα. Τις τελευταίες δεκαετίες η εντυπωσιακή αύξηση της διακριτικής ικανότητας των ηλιακών τηλεσκοπίων σε συνδυασμό με τη βελτιστοποίηση των τεχνικών παρατήρησης και την αξιοποίηση μεθόδων επεξεργασίας, ανάλυσης και μοντελοποίησης έχουν αναδείξει διάφορα φαινόμενα μικρής κλίμακας στην ηλιακή ατμόσφαιρα, που, παρά το γεγονός ότι είχαν προβλεφθεί θεωρητικά, διέφευγαν μέχρι πρόσφατα της άμεσης παρατήρησης. Σε μία τέτοια κατηγορία εντάσσονται τα στροβιλοειδή φαινόμενα μικρής κλίμακας (με διαμέτρους < 1 Mm) που παρατηρούνται στην ατμόσφαιρα του ήρεμου Ήλιου και τα οποία μελετάμε στην παρούσα διατριβή, εστιάζοντας κυρίως σε παρατηρήσεις της χρωμόσφαιρας. Οι ηλιακοί στρόβιλοι είναι μαγνητικές δομές, οι οποίες έχουν συστραφεί λόγω της επίδρασης των τυρβωδών κινήσεων πλάσματος των ανώτερων στρωμάτων της ζώνης μεταφοράς στο τοπικό μαγνητικό πεδίο. Τα ερευνητικά αποτελέσματα των τελευταίων ετών υποδηλώνουν πως πρόκειται για ένα πολυπληθές και εκτεταμένο φαινόμενο στον Ήλιο, ενώ υπάρχουν ισχυρές ενδείξεις ότι συμβάλλουν στη διάδοση μαγνητοϋδροδυναμικών (ΜΥΔ) κυμάτων και στη μεταφορά ενέργειας, μάζας και ορμής μεταξύ των στρωμάτων της κατώτερης και ανώτερης ηλιακής ατμόσφαιρας. Στις παρατηρήσεις της χρωμόσφαιρας οι ηλιακοί στρόβιλοι εκδηλώνονται ως σπειροειδείς ή κυκλοειδείς σκοτεινές δομές, που ονομάζονται «χρωμοσφαιρικές δίνες» (chromospheric swirls). Στην παρούσα διατριβή πραγματοποιήσαμε μία εκτενή και πολύπλευρη μελέτη του παρατηρησιακού αποτυπώματος των ηλιακών στροβίλων στην ηλιακή χρωμόσφαιρα, δηλαδή τις χρωμοσφαιρικές δίνες. Για τη μελέτη μας χρησιμοποιήσαμε δύο πολυφασματικά Σύνολα Παρατηρήσεων (Ι και ΙΙ) υψηλής διακριτικής ικανότητας που έχουν ληφθεί σε περιοχή ήρεμου Ήλιου στο κέντρο του ηλιακού δίσκου στις φασματικές γραμμές Ηα, Ca II 8542 Angstrom και Ca II K από τα όργανα CRisp Imaging SpectroPolarimeter (CRISP) και CHROMospheric Imaging Spectrometer (CHROMIS) του επίγειου τηλεσκοπίου Swedish 1-m Solar Telescope (SST), με ταυτόχρονες, χωρικά και χρονικά ευθυγραμμισμένες, παρατηρήσεις εντάσεων από τα φίλτρα των διαστημικών αποστολών Interface Region Imaging Spectrograph (IRIS) και Solar Dynamics Observatory (SDO). Αναπτύξαμε έναν νέο, καινοτόμο αυτοματοποιημένο αλγόριθμο ανίχνευσης των δομών αυτών, που εκμεταλλεύεται τα μορφολογικά τους χαρακτηριστικά με δυνατότητα εφαρμογής τόσο σε παρατηρήσεις, όσο και σε προσομοιώσεις. Η εφαρμογή του αλγορίθμου σε παρατηρήσεις της χρωμόσφαιρας και από τα δύο όργανα αποκάλυψε έναν μεγάλο πληθυσμό δινών διαμορφώνοντας το μεγαλύτερο ως τώρα στατιστικό δείγμα από παρατηρήσεις της Ηα. Με τη χρήση του στατιστικού δείγματος αυτού πραγματοποιήσαμε εκτεταμένη στατιστική μελέτη προκειμένου να προσδιορίσουμε τους πληθυσμούς και τα βασικά φυσικά χαρακτηριστικά των χρωμοσφαιρικών δινών (επιφανειακή πυκνότητα, ρυθμό εμφάνισης, ακτίνα, χρόνο ζωής), ενώ κατόπιν εφαρμογής του αλγορίθμου σε διαφορετικές φασματικές γραμμές ταυτοποιήσαμε τις δίνες σε διαφορετικά ύψη της ηλιακής χρωμόσφαιρας και μελετήσαμε τη χρονική εξέλιξη της μορφολογίας τους, αλλά και τη σύνδεσή τους με τη φωτόσφαιρα και την ανώτερη χρωμόσφαιρα. Χρησιμοποιώντας χωρικά και χρονικά ευθυγραμμισμένες εικόνες από διάφορα φίλτρα των διαστημικών αποστολών IRIS και SDO διερευνήσαμε τη μορφολογική απόκριση των δινών στη μεταβατική περιοχή και το στέμμα. Μελετήσαμε τα παρατηρησιακά προφίλ των φασματικών γραμμών της χρωμόσφαιρας Ηα, Ca II 8542 Angstrom και Ca II K, στις σπείρες και την ευρύτερη περιοχή των χρωμοσφαιρικών δινών, υπολογίζοντας και αναλύοντας ποσοτικά και ποιοτικά βασικές φυσικές παραμέτρους από αυτά, καθώς και τις μεταξύ τους συσχετίσεις, με σκοπό την εκτίμηση της δυναμικής και κινητικής τους κατάστασης. Συγκρίνοντας τα παρατηρησιακά προφίλ με συνθετικά προφίλ, που προκύπτουν από τη συνδυαστική χρήση της ρεαλιστικής 3D ΜΥΔ προσομοίωσης της ηλιακής ατμόσφαιρας Bifrost και του κώδικα μονοδιάστατης επίλυσης της εξίσωσης διάδοσης της ακτινοβολίας RH επιχειρούμε την εκτίμηση της θερμοκρασίας και του ύψους σχηματισμού τους στη χρωμόσφαιρα.