NASA/Goddard Space Flight Center
NASA's SDO mission untangles motion inside the sun
Using an instrument on NASA's Solar Dynamics Observatory, called the Helioseismic and Magnetic Imager, or HMI, scientists have overturned previous notions of how the sun's writhing insides move from equator to pole and back again, a key part of understanding how the dynamo works. Modeling this system also lies at the heart of improving predictions of the intensity of the next solar cycle.
Using SDO, scientists see a performance of explosions and fountains on the solar surface. Shots of solar material leap into the air. Dark blemishes called sunspots grow, combine and disappear as they travel across the sun's face. Bright loops of charged particles – captured by magnetic fields dancing around the sun – hover in the atmosphere. This dynamic display is all powered by a complex, ever-changing magnetic current inside the sun known as the dynamo. This magnetic system flips approximately every 11 years, with magnetic north and magnetic south switching poles. This process is an integral part of the sun's progression toward a pinnacle of solar activity, known as solar maximum.
The team's recent results show that, instead of a simple cycle of flow moving toward the poles near the sun's surface and then back to the equator, the material inside the sun shows a double layer of circulation, with two such cycles on top of each other. The results appear online in the Astrophysical Journal Letters on Aug. 27, 2013.
"For decades people have known that the solar cycle depends on the poleward flow or material, changing the magnetic fields from one cycle to the next," said Philip Scherrer, principal investigator for HMI at Stanford University in Stanford, Calif. "We mapped out what we believed to be the flow pattern in the 1990s, but the results didn't quite make sense."
Since the mid-1990s researchers have been observing movement inside the sun using a technique called helioseismology. The technique makes use of the fact that waves course across the sun, back and forth, oscillating with an approximately five minute period. Such waves are similar to the seismic waves that spread out under the ground during an earthquake. By monitoring the oscillations seen at the surface of the sun, scientists can gather information about the material through which the waves traveled, including what the material is made of and how fast and in what direction it is moving.
Such observations quickly showed scientists how material inside the sun rotates from east to west: material moves more slowly at the poles than it does at the equator. The observations also soon showed that material moved from the equators toward the poles within the top 20,000 miles of the sun's surface – but the flow back toward the equator from the poles was not detected. Early models of all this moving material, therefore, assumed that the equator-ward flow was much lower, only occurring at the bottom of the convection layer of the sun that houses these flows, some 125,000 miles down.
"Scientists have used this assumption to describe the solar dynamo," said Junwei Zhao, a helioseismologist at Stanford University in Stanford, Calif., who is the first author on the paper. "And now we have found that it isn't right. The flow patterns we have found are sharply different."
Zhao and his colleagues observed two years worth of data from HMI, which differs from one of the best previous helioseismology instruments – the Michelson Doppler Imager on board the joint European Space Agency/NASA mission the Solar and Heliospheric Observatory, or SOHO. SOHO observed the sun in low resolution on a regular basis, but only observed it in high resolution for a couple months each year. HMI observes the sun continuously with 16 times more detail than SOHO.
Using this data, Zhao compared the helioseismology results measured at four different heights within the sun's surface, and found these results were not consistent with what the normal convention would expect. The team proposed a way to make these four sets of measurements agree with each other.
This new method not only brought the four data sets into harmony, but also helped find the long-sought equatorward flow inside the sun. The team found that the flow toward the poles does indeed occur in a layer at near the sun's surface – but the equatorward flow isn't at the bottom. Instead, the material seeps back toward the equator through the middle of the convection layer. Moreover, deep down inside the layer is a second stream of material moving toward the poles, making what the scientists refer to as a double-cell system in which two oblong flow systems are stacked on top of each other.
"This has important consequences for modeling the solar dynamo," said Zhao. "We hope our results on the sun's interior flow will provide a new opportunity to study the generation of solar magnetism and solar cycles."
Zhao and his colleagues have provided their new map of the sun's interior to scientists who simulate the dynamo. The next steps will be to see how such new models jibe with the observations seen on the sun and how it may improve our ability to understand the constant dance of magnetism on the sun.
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For more information about NASA's SDO, visit:
http://www.nasa.gov/sdo
La NASA/Goddard Space Flight Center
Mission SDO de la NASA démêle le mouvement à l'intérieur du soleil
IMAGE : Observations par le Helioseismic et imageur magnétique sur l'Observatoire de dynamique solaire de la NASA montrent un système à deux niveaux de circulation à l'intérieur du soleil. Cette circulation est reliée à la flip de la...
À l'aide d'un instrument sur Solar Dynamics Observatory de la NASA, appelé le Helioseismic et imageur magnétique ou HMI, les scientifiques ont bouleversé les notions précédentes de comment les contorsions entrailles du soleil passer d'Équateur au pôle et vice versa, un élément clé de la compréhension du fonctionne de la dynamo. Modélisation de ce système est également au cœur d'améliorer les prédictions de l'intensité du prochain cycle solaire.
À l'aide de SDO, scientifiques voir un spectacle d'explosions et de fontaines sur la surface du soleil. Coups de matière solaire sautent dans les airs. Taches foncées appelées taches solaires grandir, combinent et disparaissent comme ils voyagent à travers le visage du soleil. Boucles lumineuses de particules chargées – capturés par les champs magnétiques danser autour du soleil – planent dans l'atmosphère. Cet affichage dynamique tout est alimenté par un courant magnétique complex, changeant l'intérieur du soleil, connu comme le dynamo. Ce système magnétique inverse environ tous les 11 ans, avec le nord magnétique et le sud magnétique pôles de commutation. Ce processus fait partie intégrante de la progression vers une apogée de l'activité solaire, dite solaire maximale du soleil.
Récents résultats montrent de l'équipe que, au lieu d'un simple cycle de flux vers les pôles près de la surface du soleil, puis de nouveau à l'Équateur, le matériel à l'intérieur du soleil montre une double couche de circulation, avec deux tels cycles sur le dessus de l'autre. Les résultats s'affichent en ligne dans l'Astrophysical Journal Letters sur 27 août 2013.
"Pendant des décennies personnes ont sait que le cycle solaire dépend le flux vers le pôle ou la matière, changeant les champs magnétiques d'un cycle à l'autre," Philip Scherrer, chercheur principal de l'IHM à l'Université Stanford à Stanford, en Californie, a déclaré « nous tracée ce qu'on croit pour être le modèle de flux dans les années 1990, mais les résultats n'aurait été tout à fait absurde. »
Depuis les milieu des années 90 chercheurs ont observé le mouvement à l'intérieur du soleil à l'aide d'une technique appelée héliosismologie. La technique utilise le fait que le cours vagues devant le soleil, en arrière, oscillant avec une période d'environ cinq minutes. Ces ondes sont semblables pour les ondes sismiques qui se propagent dans le sol pendant un séisme. En surveillant les oscillations aperçues à la surface du soleil, scientifiques peuvent recueillir des informations sur le matériel à travers laquelle les vagues se sont rendus, y compris ce que le matériau est fait d'et à quelle vitesse et dans quelle direction il se dirige.
Ces observations ont rapidement montrent scientifiques comment matière à l'intérieur du soleil tourne d'est en ouest : matériel se déplace plus lentement aux pôles qu'à l'Équateur. Les observations ont montré aussi vite que le matériel déplacé de l'equators vers les pôles dans le top 20 000 km de la surface du soleil – mais le flux vers l'Équateur des pôles n'a pas été détecté. Les premiers modèles de tout ce matériel mobile, suppose donc, que le débit de l'Équateur-ward était beaucoup plus faible, se produisant seulement en bas de la couche de convection du soleil qui abrite ces flux, quelque 125 000 milles vers le bas.
« Pour décrire la dynamo solaire, les scientifiques ont utilisé cette hypothèse », a dit Junwei Zhao, un helioseismologist à l'Université Stanford à Stanford, en Californie, qui est le premier auteur sur le livre. "Et maintenant, nous avons trouvé qu'il n'est pas juste. Le coulement, que nous avons trouvé est nettement différentes".
Zhao et ses collègues a observé deux ans d'une valeur de données de HMI, qui diffère d'un des meilleurs précédente héliosismologie instruments – l'imageur de Michelson Doppler à bord la conjointe ESA/NASA mission le solaire et de Heliospheric Observatory ou SOHO. SOHO observe le soleil en basse résolution sur une base régulière, mais seulement l'observait en haute résolution pour quelques mois chaque année. HMI observe le soleil en permanence avec 16 fois plus de détails que SOHO.
En utilisant ces données, Zhao a comparé les résultats de l'héliosismologie mesurées à quatre hauteurs différentes au sein de la surface du soleil et trouvé que ces résultats n'étaient pas conformes à ce que la convention normale pourrait attendre. L'équipe a proposé un moyen de rendre ces quatre séries de mesures d'accord entre eux.
Cette nouvelle méthode a non seulement mis les quatre ensembles de données en harmonie, mais aussi aidé à trouver le flux vers l'Équateur depuis longtemps à l'intérieur du soleil. L'équipe a constaté que le flux vers les pôles n'est en effet présent dans une couche à proximité de la surface du soleil – mais le flux vers l'Équateur n'est pas au fond. Au lieu de cela, le matériau s'infiltre vers l'Équateur jusqu'au milieu de la couche de convection. De plus, au plus profond à l'intérieur de la couche est un second flux de matériel vers les pôles, faire ce que les scientifiques appellent un système de double-cellulaire dans lequel deux systèmes d'écoulement oblongue sont empilés sur les uns des autres.
« Cela a des conséquences importantes pour la modélisation de la dynamo solaire, », a déclaré Zhao. « Nous espérons que nos résultats sur le flux intérieur du soleil offrira une nouvelle occasion d'étudier la génération de magnétisme solaire et les cycles solaires. »
Zhao et ses collègues ont fourni leur nouvelle carte de l'intérieur du soleil à des scientifiques qui simulent la dynamo. Les prochaines étapes sera de voir comment ces nouveaux modèles jibe avec les observations sur le soleil et comment il peut améliorer notre capacité à comprendre la danse constante du magnétisme sur le soleil.
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