The tilt and twist of emerging solar active regions

Baumgartner, Christian

dc.contributor.advisor	Laurent, Gizon Prof. Dr.
dc.contributor.author	Baumgartner, Christian
dc.date.accessioned	2022-04-26T11:39:00Z
dc.date.available	2022-05-03T00:50:11Z
dc.date.issued	2022-04-26
dc.identifier.uri	http://resolver.sub.uni-goettingen.de/purl?ediss-11858/14009
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9174
dc.language.iso	eng	de
dc.rights	Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/	*
dc.subject.ddc	530	de
dc.title	The tilt and twist of emerging solar active regions	de
dc.type	doctoralThesis	de
dc.contributor.referee	Laurent, Gizon Prof. Dr.
dc.date.examination	2021-12-09	de
dc.subject.gok	Physik (PPN621336750)	de
dc.description.abstractger	Ziel dieser Arbeit ist es, die Neigung und Verwindung des solaren Magnetfeldes zu charakterisieren, welche eine wichtige Rolle im Verständis über den Ursprung und Dynamik des Magnetfeldes spielen. Die Neigung bezieht sich auf das Gesetz von Joy, das die von der heliographischen Breite abhängige Neigung von aktiven Regionen relativ zur Ost-West-Richtung beschreibt. Die zweite Größe ist die Verwindung des Magnetfeldes, welche misst, wie oft sich magnetische Feldlinien umeinander wickeln. Die erste Studie konzentriert sich auf das Gesetz von Joy. Wir haben die HEAR Studie (Schunker 2016) verwendet, um die zeitliche Entwicklung des Joy'schen Gesetzes in "line-of-sight" Magnetogrammen während der Entstehung von 182 aktiven Regionen zu messen. Wir fanden heraus, dass aktive Regionen beim Auftauchen im Durchschnitt nicht geneigt sind. Die führende und nachfolgende Polarität werden in Nord-Süd-Richtung auseinandergetrieben und das Gesetz von Joy wird innerhalb von 1-2 Tagen nach dem Auftauchen sichtbar. Der treibende Grund für diese Trennung ist nicht klar. Dieses Ergebnis widerspricht einer gängigen Theorie, wonach die Corioliskraft die Neigung vor dem Auftauchen des Magnetfeldes an der Sonnenoberfläche erzeugt, indem sie auf Plasmaströme innerhalb des aufsteigenden Magnetfeld wirkt. Andere Erklärungen für das Gesetz von Joy können mit der Verwindung des Magnetfeldes und der Erhaltung der magnetischen Helizität zusammenhängen. Wir benötigen robuste quantitative Messungen der Verdrehung des Magnetfelds, um Theorien über die Entwicklung des Magnetfeldes zu überprüfen. In der zweiten Studie testen wir die Empfindlichkeit verschiedener Näherungswerte (Proxies) für die Magnetfeld-Verwindung in einem fluktuierendem Magnetfeld. Wir modellierten das Magnetfeld und dessen Fluktuationen anhand einer Zeitserie des führenden Sonnenflecks in der aktiven Region NOAA 11072 basierend auf HMI/SDO-Vektormagnetfeldbeobachtungen. Wir haben festgestellt, dass die zeitlichen Fluktuationen des Magnetfeldes auf räumlichen Skalen bis zu 1.4 Mm korreliert sind. Dies ist mehr als von der Punktspreizfunktion des Instruments erwartet wird. Wir haben Monte-Carlo Simulationen des Sonnenfleck-Modells mit unterschiedlichen Realisationen von Magnetfeld-Fluktuationen durchgeführt. Es zeigt sich, dass die meisten Verwindungs-Proxies robust gemessen werden können. Sie zeigen typischerweise Fehler, die eine Größenordnung kleiner sind als die bekannte Verwindung des Modells. In der dritten Studie charakterisieren wir den Verwindungs-Proxy alpha_z in Magnetfeldbeobachtungen der HEAR Studie, welcher das Verhältnis von vertikalem Strom zu vertikalem Magnetfeld misst. Die hemisphärische Helizitätsvorzeichenregel (HHVR) besagt, dass die Verdrehung des Magnetfeldes eine bevorzugte Orientierung mit unterschiedlichem Vorzeichen in der nördlichen und südlichen Sonnenhemisphäre hat. Die HHVR kann aus dem Datensatz abgeleitet werden kann, wenn alpha_z räumlich über ganze aktive Regionen gemittelt wird. Die Mittelwerte über die führende und die folgende Polarität haben entgegengesetzte Vorzeichen, was der Theorie widerspricht, dass die Polaritäten durch gleichmäßig gewundene Flussröhren verbunden sind. Die nähere Untersuchung einer gemittelten führenden Polarität ergab eine Abhängigkeit ihres alpha_z-Profils von ihrer longitudinalen Position relativ zum zentralen Meridian der Sonne. Die Quelle dieses systematischen Effekts und seine Auswirkungen auf die Messungen der Magnetfeldverwindung müssen weiter untersucht werden.	de
dc.description.abstracteng	The aim of this thesis is to characterize the tilt and twist of the emerging magnetic field in the solar photosphere, which play an important role in understanding the origin and dynamics of the solar magnetic field. The tilt refers to Joy's law, the latitude dependent inclination of solar active regions relative to the east-west direction. The second observable is the magnetic field's twist, which measures how often magnetic field lines wind around each other. The first study focuses on Joy's law. We used the helioseismic emerging active region survey (HEAR, Schunker 2016) to measure the temporal evolution of Joy's law in line-of-sight magnetograms during the emergence of 182 active regions. We found that on average active regions emerge with zero tilt. The leading and following polarities have an inherit north-south separation speed of unknown origin, which causes Joy's law to develop within one to two days after emergence. These findings are not expected by a popular theory according to which the Coriolis force creates the tilt by acting on plasma flows contained within the rising magnetic field before emergence at the solar surface. Other explanations for Joy's law may be linked to the magnetic field's twist and the conservation of magnetic helicity. We need robust quantitative measurements of the magnetic field's twist to constrain theories of magnetic flux emergence. In the second study, we test the sensitivity of various twist proxies to a fluctuating magnetic field. We modelled a sunspot's magnetic field and its fluctuations based on a time series of HMI/SDO vector magnetic field observations of the leading sunspot in active region NOAA 11072. We found that the magnetic field's temporal fluctuations are spatially correlated on scales up to 1.4~Mm, which is more than expected from the instrument's point spread function alone. We used Monte-Carlo simulations of this sunspot model with different realizations of field fluctuations and found that most twist proxies can be robustly measured with errors that are typically one order of magnitude smaller than the model's inherent twist. In the third study, we extend the characterization of the twist proxy alpha_z, which measures the ratio of the vertical current to the vertical magnetic field, to vector magnetic field measurements in emerging active regions of the HEAR survey. The hemispheric helicity sign rule, which states that the magnetic field has a preferential orientation of twist with opposite direction in the northern and southern hemisphere, can be retrieved from the data set, when alpha_z is spatially averaged over whole active regions. Averages over the leading and following polarities have opposite signs, which is inconsistent with theories that the polarities are connected by uniformly twisted flux tubes. A closer inspection of the averaged leading polarity revealed a dependence of its alpha_z profile on its longitudinal position relative to the Sun's central meridian. The source of this systematic effect and how it affects the twist measurements must be further studied.	de
dc.contributor.coReferee	Dreizler, Stefan Prof. Dr.
dc.subject.ger	Sun	de
dc.subject.ger	emerging active regions	de
dc.subject.ger	magnetic field	de
dc.subject.ger	magnetic helicity	de
dc.subject.ger	Joy's law	de
dc.subject.eng	Sun	de
dc.subject.eng	emerging active regions	de
dc.subject.eng	magnetic field	de
dc.subject.eng	magnetic helicity	de
dc.subject.eng	Joy's law	de
dc.identifier.urn	urn:nbn:de:gbv:7-ediss-14009-1
dc.affiliation.institute	Fakultät für Physik	de
dc.description.embargoed	2022-05-03	de
dc.identifier.ppn	1800458088