Observations of large-scale solar flows

by Bastian Proxauf
Doctoral thesis
Date of Examination:2020-06-10
Date of issue:2021-04-13
Advisor:Prof. Dr. Laurent Gizon
Referee:Prof. Dr. Laurent Gizon
Referee:Prof. Dr. Andreas Tilgner
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8502

 

 

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Abstract

English

In this dissertation, several components of large-scale solar flows are studied observationally: solar equatorial Rossby waves (waves of radial vorticity), large-scale convection, and surface flows around active regions. Maps of horizontal flows are derived from photospheric observations by the Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) aboard the Solar Dynamics Observatory (SDO) using two different techniques: granulation tracking and local helioseismology. First, the eigenfunctions of solar Rossby waves are measured from helioseismic ring-diagram flow maps with a correlation method and a spectral analysis. Down to 9 Mm below the surface, the dependence of the radial vorticity with radius r is consistent with r^{m-1}, for a given longitudinal wavenumber m. At the surface, the eigenfunctions are complex-valued. The real part decreases away from the equator and switches sign around +/- 20-30 deg. The imaginary part is small, but nonzero, and may be due to wave attenuation. This may have implications for the transport of angular momentum in the latitudinal direction. Second, we revisit previous measurements of power spectra of longitudinal velocities near the solar surface, obtained from time-distance and ring-diagram helioseismology. Several issues in these past helioseismic analyses are identified and corrected. The corrections are not sufficient to remove the discrepancy between the measurements. I thus present new velocity power spectra from granulation tracking and ring-diagram helioseismology. The two new measurements are close to each other near the solar surface, and the corresponding kinetic energy decreases with increasing spatial scale.
Keywords: Sun: helioseismology; Sun: oscillations; Sun: interior; Waves; Convection

German

In dieser Dissertation werden einige Komponenten großskaliger Strömungen der Sonne mithilfe von Beobachtungen erforscht: solare äquatoriale Rossby-Wellen (Wellen der radialen Vortizität), großskalige Konvektion und Strömungen um aktive Regionen auf der Sonnenoberfläche. Dazu werden Karten von horizontalen Strömungen aus photosphärischen Beobachtungen des Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) an Bord des Solar Dynamics Observatory (SDO) durch zwei verschiedene Methoden erstellt: Granulationstracking und Lokale Helioseismologie. Zunächst werden die Eigenfunktionen solarer Rossby-Wellen in helioseismischen Ring-Diagramm-Strömungskarten mit einer Korrelationsmethode und einer Spektralanalyse gemessen. In den obersten 9 Mm unter der Sonnenoberfläche ist die Abhängigkeit der radialen Vortizität mit dem Radius r für eine gegebene longitudinale Wellenzahl m konsistent mit r^(m-1). An der Oberfläche sind die Eigenfunktionen komplexwertig. Der Realteil wird mit zunehmender Latitude kleiner und ändert sein Vorzeichen bei +/- 20-30 Grad. Der Imaginärteil ist klein, aber ungleich Null, und könnte auf Wellendämpfung zurückzuführen sein. Dies hat Auswirkungen auf den Transport von Drehmoment in der latitudinalen Richtung. Anschließend folgt eine Neuauswertung früherer Messungen des Leistungsspektrums longitudinaler Geschwindigkeiten nahe der Sonnenoberfläche, die durch Zeit-Distanz- und Ring-Diagramm-Helioseismologie erhalten wurden. In diesen existierenden helioseismischen Analysen werden einige Probleme gefunden und korrigiert. Die Korrekturen sind allerdings nicht ausreichend, um die Diskrepanz zwischen den Messungen zu beheben. Daher präsentiere ich neue Leistungsspektren der Geschwindigkeit aus Granulationstracking und Ring-Diagramm-Helioseismologie. Die zwei neuen Messungen stimmen an der Sonnenoberfläche überein und die zugehörige kinetische Energie nimmt zu größeren räumlichen Skalen hin ab.
 
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