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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-29335
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/2933/


Wöger, Friedrich

High-resolution observations of the solar photosphere and chromosphere

Hochauflösende Beobachtungen der solaren Photosphäre und Chromosphäre

Dokument1.pdf (6.474 KB) (md5sum: e4cd93c1656ac928e2e1378b2404b78b)

Kurzfassung in Englisch

Observations of the sun are almost always impaired by the turbulent motion of air in Earth's atmosphere.
The turbulence would limit the theoretical resolution of modern large telescopes to that of amateur telescopes without additional tools.
Today however, high-resolution data of the Sun are necessary to invesitgate its small-scale structure.
This structure is likely to be connected to the radially outward increasing temparature distribution of the solar atmosphere.

An introduction into further details of this topic that has also been the motivation for this work is presented in Chapt. 1.
A theory of atmospheric turbulence that builds the basis for several results of this work is described in Chapt. 2.
Here, two modern tools to enhance the resolution of groundbased observations are reviewed, on the one hand adaptive optics (AO) systems and on the other hand speckle interferometry.
Until recently, these two techniques were only used separately.
In Chapt. 3 the necessary modifications for analytical models of transfer functions are developed that include the changes made by an AO system to the incoming wave front, thus making a combination of AO systems and speckle interferometry possible.
The models were compared to measured data using different techniques, and a good agreement was found.
In order to apply speckle interferometry to the observational data acquired for this work, a computer program package was developed that can reduce vast amount of data within a reasonable time in a parallel way (App. 1).

Speckle interferometry needs very shortly exposed data in order to compute a reconstruction.
However, a part of the data observed for this work had to be exposed rather long because of technical problems, making the use of this reconstruction technique impossible.
This motivated the development of an algorithm to estimate instantaneous point spread functions from speckle reconstructions.
The point spread functions permit the deconvolution of the long exposed data making use of well known techniques.
The algorithm is developed in Chapt. 4, along with a presentation of an examination of usability.

In Chapt. 5 the observational data that were reduced using the algorithms developed in the course of this work were analyzed.
It was found that bright points within the chromospheric network are correlated both spatially and temporally to those in the photospheric network.
The phenomena appear to overlay almost vertically.
The ratio of their sizes is <R_{chrom. BP}/R_{phot. BP}> = 3.0 with a standard deviation of 0.7.
The analysis of life times of structures within the chromosphere revealed that network and inter-network regions can be separated more accurately using a life time rather than the commonly used intensity criterium.
The combination of high spectral and spatial resolution within this dataset revealed the existance of an up to now undetected pattern of granular size in the chromspheric inter-network that evolves too rapidly (with time scales of approx. 53s) to be reversed granulation.
This finding supports recent models of the non-magnetic solar chromosphere that could explain this pattern as signature of propagating and interacting shock waves that are excited in the photosphere as an acoustic phenomenon.
This is supported by the detailed investigation of the solar oscillations in the chromospheric network and inter-network that shows that the main contributions to the 3min oscillations in the chromosphere can be attributed to the inter-network.
The chromospheric network mainly contributes to 5min oscillations, which are typical for the photosphere.


Kurzfassung in Deutsch

Beobachtungen der Sonne werden fast immer durch die turbulenten Luftbewegungen in der Erdatmosphäre beeinträchtigt, welche die theoretische Auflösung moderner Großteleskope ohne weitere Hilfsmittel auf die von Amateurteleskopen beschränken würde.
Heutzutage jedoch sind hoch auflösende Daten der Sonne nötig, um die kleinskaligen Strukturen zu untersuchen, welche wahrscheinlich ursächlich für den nach außen hin ansteigenden radialen Temperaturverlauf in der Sonnenatmosphäre sind.

Eine Einführung in weitere Details dieser Thematik, welche auch die Motivation für diese Arbeit war, wird in Kapitel 1 gegeben.
Eine Theorie der atmosphärischen Turbulenz, welche die Grundlage für verschiedene Ergebnisse dieser Arbeit bildet, wird in Kapitel 2 dargestellt.
Hier werden auch zwei moderne Hilfsmittel zur Verbesserung der Auflösung von erdgebundenen Beobachtungen besprochen, einerseits adaptive Optik (AO) und andererseits Speckle Interferometrie.
Bis vor kurzem wurden diese Techniken lediglich separat verwendet.
In Kapitel 3 werden die notwendigen Modifikationen für analytische Modelle von Transferfunktionen erarbeitet, welche die Änderungen einer einfallenden Wellenfront durch eine beliebig gut korrigierende AO berücksichtigen und somit eine Kombination von AO und Speckle Interferometrie ermöglichen.
Die Modelle wurden auf unterschiedliche Weisen mit gemessenen Daten verglichen, und eine gute Übereinstimmung konnte festgestellt werden.
Zur Anwendung der Speckle Interferometrie auf die für diese Arbeit beobachteten Daten wurde ein Programmpaket entwickelt, welches die anfallenden großen Datenmengen innerhalb kurzer Zeit parallel verarbeitet (Anhang 1).

Speckle Interferometrie benötigt sehr kurz belichtete Daten für eine Rekonstruktion.
Bei den für diese Arbeit notwendigen Sonnenbeobachtungen musste jedoch aus technischen Gründen ein Teil der Daten zu lang belichtet werden, um sie mit dieser Technik verarbeiten zu können.
Dies motivierte die Entwicklung eines Algorithmus, mit dessen Hilfe aus einer Speckle Rekonstruktion instantane Punktverbreiterungsfunktionen geschätzt werden können, welche die nachträgliche Entfaltung der zu lang belichteten Bilddaten mit bekannten Techniken ermöglichen.
Der Algorithmus sowie dessen Überprüfung und Anwendbarkeit wird in Kapitel 4 beschrieben.

In Kapitel 4 wurden die mit den in dieser Arbeit entwickelten Algorithmen verarbeiteten Daten analysiert.
Dabei ergab sich, dass Bright Points im chromosphärischen Netzwerk räumlich ud zeitlich stark mit solchen im photosphärischen Netzwerk korreliert sind, und diese beiden Phänomene fast vertikal übereinanderliegen.
Das Verhältnis zwischen ihreren Größen beträgt <R_{chrom. BP}/R_{phot. BP}> = 3.0 mit einer Standardabweichung von 0.7.
Bei der Analyse der auftretenden Lebenszeiten von Strukturen in der Chromosphäre ergab sich, dass eine Trennung von Netzwerk und Inter-Netzwerk basierend auf einem Zeitkriterium genauer ist als, wie bislang üblich, die Verwendung eines Intensitätkriteriums.
Aufgrund der Kombination von hoher räumlicher und spektraler Auflösung der verarbeiteten Beobachtungsdaten stellte sich heraus, dass im Inter-Netzwerk der Chromosphäre ein bislang unentdecktes Muster existiert, welches sich sehr schnell entwickelt (mit Zeitskalen von ungefähr 53s) und von granularer Größe ist, und bei welchem es sich nicht um inverse Granulation handelt.
Dies passt zu neueren Modellen der nicht-magnetischen solaren Chromosphäre, welches das Muster als die Signatur von propagierenden und sich überlagernden Schockwellen beschreibt, welche in der Photosphäre akustisch angeregt werden.
Dies wird durch die differenzierte Untersuchung der solaren Oszillationen im Netzwerk und Inter-Netzwerk unterstützt, welche zeigt, dass die Hauptbeiträge zu den chromosphärischen 3min Oszillationen dem Inter-Netzwerk zuzuordnen sind; das chromsphärische Netzwerk weist hauptsächlich Beiträge zu Oszillationen mit Perioden von 5min auf, welche eher der Photosphäre zuzuordnen sind.


SWD-Schlagwörter: Solar-terrestrische Physik
Freie Schlagwörter (deutsch): Sonnenphysik , atmosphärische Turbulenz , Adaptive Optik
Freie Schlagwörter (englisch): solar physics , atmospheric turbulence , adaptive optics
PACS Klassifikation 96.60.-j , 95.75.Qr , 95.75.Mn , 97.10.Ex
Institut: Physikalisches Institut
Fakultät: Fakultät für Mathematik und Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Lühe, Oskar von der (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 07.03.2007
Erstellungsjahr: 2006
Publikationsdatum: 26.03.2007
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