Slender Ca II H fibrils observed by SUNRISE/SuFI

by Ricardo Jorge Maranhas Gafeira
Doctoral thesis
Date of Examination:2018-01-31
Date of issue:2018-04-24
Advisor:Prof. Dr. Sami K. Solanki
Referee:Prof. Dr. Sami K. Solanki
Referee:Prof. Dr. Laurent Gizon
Referee:Prof. Dr. Hardi Peter
Referee:Prof. Dr. Jens Niemeyer
Referee:Prof. Dr. Wolfram Kollatschny
Referee:Prof. Dr. Ariane Frey
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-6825

 

 

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Abstract

English

This thesis is devoted to analyzing the morphological and oscillatory properties of slender \caiih{} fibrils (SCFs) in the lower solar chromosphere. The aim of this study is to deepen our understanding of the physical nature of these structures and their relevance for the energetics in the solar chromosphere and the layers above.  For this purpose, we use seeing-free high spatial and temporal resolution data in the line core of the \caiih{} line, which is formed in the chromosphere. A time series of narrow-band images in this line of almost 1 hour was obtained during the second science flight of the the \sunrise{} observatory by the \sunrise{} Filter Imager (\sufi{}). In the first part of the thesis we identify and track 598 elongated bright structures (fibrils), observed in the \caiih{} intensity images, in order to estimate their morphological properties.  We obtain an average width of around 180~km, a length between 500 and 4000~km, an average lifetime of $\approx$400~s, an average curvature of 0.002~arcsec$^{-1}$, and a maximum lifetime of $\approx$2000~s. We identify two different types of brightness evolution in the SCFs. In one type the intensity increases starting from the center and moving to the edges, and in the other type the increase in intensity first becomes visible near one or both of the ends and expands from there toward the center of the fibril. The results from these studies allow us to compare some of the properties of the SCFs with other chromospheric structures such as spicules of type I and II, or \caiik{} fibrils. The second part of this work is dedicated to the study of the oscillatory behavior of SCFs using a wavelet analysis. One analysis focuses on the oscillations in width and intensity. These parameters are measured at several positions along the fibrils and their periods and phase speeds are analyzed.  The width and intensity oscillations show overlapping distributions with median values for their periods of $32\pm17$\,s and $36\pm25$\,s, respectively. For the phase speeds of these perturbations we obtain values of ${11}^{+49}_{-11}$\,\kms{} for width and ${15}^{+34}_{-15}$\,\kms{} for the intensity. By computing the cross-power spectrum between the two oscillations we observe that in most of the cases they show either an anti-phase or in-phase behavior, with the anti-phase case being much more frequent.  This indicates that both oscillations are probably caused by the same wave mode. By comparing the oscillatory behavior and the local sound and Alfv\'en speeds, we conclude that the most likely wave mode to explain all measurements is the fast sausage mode. A few cases are also compatible with slow sausage mode waves. Transverse motions of the SCFs were also studied.  We obtained median amplitudes and periods on the order of 2.4$\pm$0.8~\kms{} and 83$\pm$29~s, respectively. We find that the transverse waves usually propagate along the SCFs with a median phase speed of 9$\pm$14~\kms{}. In some cases waves propagating in both directions, and also standing waves are observed. This oscillatory behavior can be then described by the so-called kink waves that, for the computed wave parameters, can carry  an energy flux of $\approx$15~kW~m$^{-2}$, which is sufficiently high to heat the chromosphere.
Keywords: Solar Physics; Chromosphere; Sunrise; Ca II H fibrils

German

Diese Arbeit widmet sich der Analyse der morphologischen Eigenschaften und der Oszillationen sogenannter \textit{slender  \caiih{} fibrils} (SCFs) in den niedrigen Schichten der Chromosph\"are der Sonne. Das Ziel dieser Studie ist es, das Verst\"andnis \"uber die physikalische Natur dieser Strukturen zu vertiefen und deren Bedeutung f\"ur die Energetik der Chromosph\"are und den dar\"uberliegenden Schichten zu ergr\"unden. Zu diesem Zweck  verwenden wir Daten aufgenommen im Kern der  \caiih{} Linie, die in der unteren Chromosph\"are gebildet wird. Diese Daten sind frei von atmosph\"arischen St\"orungen und zeichnen sich durch h\"ochste r\"aumliche und zeitliche Aufl\"osung aus. Eine fast einst\"undige Zeitserie schmalbandiger Aufnahmen in dieser Linie konnte w\"ahrend des zweiten Fluges des \sunrise{} Observatoriums mit dem \sunrise{} Filter Imager (\sufi{}) gewonnen werden. Im ersten Teil dieser Arbeit werden 598 langgezogene, helle Strukturen (Fibrilen) in den \caiih{} Intensit\"atsbildern identifiziert und zeitlich verfolgt, um deren morphologischen Eigenschaften zu bestimmen. Dabei erhalten wir eine f\"ur die Breite dieser Strukturen einen Mittelwert von 180~km, eine durchschnittliche Lebensdauer von  $\approx$400~s, eine durchschnittliche Kr\"ummung von 0.002~arcsec$^{-1}$, und eine maximale Lebensdauer von $\approx$2000~s. Zwei unterschiedliche Arten von Helligkeitsvariationen in diesen SCFs wurden gefunden. In einem Fall steigt die Intensit\"at in den Fibrilen zuerst in deren Zentrum und breitet sich dann entlang des Fibrils aus, im anderen Fall beginnt die Helligkeitssteigerung in einem oder beiden Fu\ss{}punkten und wandert dann zum Zentrum des Fibrils. Die Resultate dieser Studie erlauben eine Gegen\"uberstellung der Eigenschaften von SCFs mit anderen chromosph\"arischen Strukturen, zum Beispiel Spikulen vom Typ I oder II, oder auch den \caiik{} Fibrilen. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich der Studie der Oszillationen der SCFs mittels einer Wavelet-Analyse. Die erste Analyse konzentriert sich dabei auf die Oszillation der Helligkeit und der Breite der SCFs. An mehreren Positionen entlang der Fibrilen werden diese Oszillationen bestimmt und daraus ihre Perioden und Phasengeschwindigkeiten abgeleitet. Die Oszillationen in beiden Parametern zeigen \"uberlappende Perioden von   $32\pm17$\,s f\"ur die Helligkeitsvariation und $36\pm25$\,s f\"ur die Variation der Breite. Die Phasengeschwindigkeit dieser Wellen konnte auf ${11}^{+49}_{-11}$\,\kms{} f\"ur die Breite und auf ${15}^{+34}_{-15}$\,\kms{} f\"ur die Helligkeit bestimmt werden. Durch die Berechnung des sogenannten \textit{cross-power} Spektrums zwischen den beiden Oszillationen konnten wir beobachten, dass sie in den meisten F\"allen in Phase oder in Gegenphase ablaufen, wobei die gegenphasige Oszillation bei weitem \"uberwiegt. Dies deutet darauf hin, dass beide Oszillationen vom selben Wellentyp verursacht werden. Durch den Vergleich mit der lokalen Schall- und Alf\'engeschwindigkeit konnten wir schlussfolgern, dass es sich bei den beobachteten Oszillationen um sogenannte  \textit{fast-sausage-mode} Wellen handelt. Enige F\"alle sind auch kompatibel mit dem \textit{slow-sausage-mode} Typ. Es wurden auch die transversalen Bewegungen der SCFs untersucht. Dabei erhalten wir mittlere Amplituden im Bereich von 2.4$\pm$0.8~\kms{} und Perioden von 83$\pm$29~s. Wir konnten die mittlere Phasengeschwindigkeit dieser transversalen Bewegung entlang der SCFs auf 9$\pm$14~\kms{} bestimmen.  In einigen F\"allen pflanzen sich die Wellen in beide Richtungen fort, aber auch stehende Wellen konnten beobachtet werden. Diese Oszillationen k\"onnen als sogenannte \textit{kink}-Wellen bezeichnet werden. Mit den berechneten Parametern der Oszillation k\"onnen diese Wellen einen Energiefluss von $\approx$15~kW~m$^{-2}$ beinhalten , eine Energiemenge, die f\"ur die Heizung der Chromosph\"are ausreichend ist.
 
Statistik