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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-75803
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/7580/


Bethge, Christian

Investigation of large scale structures in the solar chromosphere with the full-disk telescope ChroTel

Untersuchung großskaliger Strukturen in der Chromosphäre der Sonne mit dem Ganzsonnen-Teleskop ChroTel

Dokument1.pdf (72.963 KB) (md5sum: 261bd39ceed929afd8bd64e201fabf3e)

Kurzfassung in Englisch

The corona surrounding our Sun exhibits a temperature of a million degrees and higher, which is significantly higher than the surface temperature of about 6000 K. Still, it is one of the pivotal tasks in solar physics to find and understand the governing processes that are heating the corona. The chromosphere thereby plays a major role as it is the intermediate layer between the photosphere representing the solar surface and the hot outer atmosphere. In the present work, large scale structures in the chromosphere are being investigated, for example the chromospheric network and regions beneath coronal holes. This was done using data from the new Chromospheric Telescope ChroTel of the Kiepenheuer-Institute, which is being introduced in the course of this work. Along the way, an automated data handling was developed which allows public access to the data already minutes after recording.
The investigation of the dynamics of the large scale structures is based on full-disk Doppler maps in the spectral line of He I 10830 A originating in the upper chromosphere. These were derived by reconstructing line shifts from intensities in filtergrams centered at different wavelengths. For the reconstruction, the true line shifts were needed as a reference, which were known from simultaneous scans with a spectrograph in several small regions on the solar surface. The reconstruction was optimized by applying different weightings to the filtergrams until a minimum was found for the difference of the true and the reconstructed velocities in these regions. This was done using a genetic code to solve the optimization problem and furthermore with regard to a creation of Doppler maps on a regular basis in the future. It turned out that on the one hand, the reconstruction of line-of-sight velocities can be done with a precision of about 1 km/s under consideration of parameters like the number of used filters, the absorption depth in He I, the signal-to-noise ratio, and the extent of the relevant structures. On the other hand, the approach used does not seem to offer an all-in-one solution for all velocity regimes.
It is well-known that the fast solar wind is found in and above coronal holes, i.e. in regions showing only little emission in EUV and X-ray wavelengths with respect to their surroundings. Little is known though about the formation height, that is where the acceleration of the particles sets in. For this reason, regions beneath coronal holes have been investigated with Doppler maps in He I in order to find evidence for the onset of the fast solar wind in the upper chromosphere. Several datasets derived from ChroTel filtergrams and an additional one from the CHIP instrument however do not show any indication for this scenario, which suggests that the onset of the fast solar wind takes place further up in the solar atmosphere than the formation height of He I 10830 A.
Furthermore, velocities in the chromospheric network have been investigated. These show a trend towards redshifts, which could be explained by the continuation of the well-known redshifts found in the transition region. In addition, the Doppler maps indicate that the non-magnetic chromospheric internetwork tends to be blueshifted. This is compatible with the idea of acoustic waves propagating upwards from the photosphere.
In the last part of this work, first results of an ongoing analysis of plasma flows in a magnetic structure are shown. Data from ChroTel and high-resolution observations with TIP (Tenerife Infrared Polarimeter) are being used in combination with TRACE data from higher layers. Thereby, the picture of a magnetic flux tube is indicated which reaches up into the corona. Velocities at +/- 40 km/s are observed for the up- and downflowing plasma within the structure, which are significantly above the sound speed in the chromosphere. The driving mechanism for the flows is compatible with the concept of a so-called siphon flow, where the plasma is driven by a gas pressure imbalance due to different magnetic field strengths in the footpoints of the flux tube. This would be the first observational evidence of such a flow from the photosphere up into the corona and back.


Kurzfassung in Deutsch

Eines der grundlegendsten Probleme der Sonnenphysik ist nach wie vor, welche Prozesse vornehmlich für die Heizung der die Sonne umgebenden Korona verantwortlich sind, deren Temperatur von mehr als einer Million Grad Celsius deutlich über der Oberflächentemperatur von knapp 6000 K liegt. Von zentraler Bedeutung ist hierbei die Chromosphäre, welche die Verbindung zwischen der Photosphäre, also der Sonnenoberfläche, und der heißen äußeren Atmosphäre darstellt. In der vorliegenden Arbeit werden großskalige Strukturen in der Chromosphäre untersucht, beispielweise das chromosphärische Netzwerk und Regionen unterhalb von koronalen Löchern. Dies geschieht unter Verwendung von Daten des neuen chromosphärischen Sonnenteleskops ChroTel des Kiepenheuer-Instituts, welches im Laufe der Arbeit vorgestellt wird. Im Zuge dessen wurde eine automatische Datenverarbeitung entwickelt, die einen öffentlichen Zugriff auf die Daten bereits wenige Minuten nach der Aufnahme erlaubt.
Die Untersuchung der Dynamik der großskaligen Strukturen stützt sich auf Dopplerkarten der ganzen Sonnenscheibe in der Spektrallinie He I 10830 A aus der oberen Chromosphäre. Diese wurden durch die Rekonstruktion von Linienverschiebungen aus Filtergrammen mit unterschiedlichen zentralen Wellenlängen gewonnen. Dafür wurden die tatsächlichen Linienverschiebungen als Referenz benötigt, welche aus gleichzeitigen Scans mit einem Spektrographen in kleineren Bereichen auf der Sonnenscheibe bekannt waren. Durch eine unterschiedliche Gewichtung der Filtergramme wurde nun unter Verwendung eines genetischen Codes versucht, die Rekonstruktion der Linienverschiebungen in diesen Teilbereichen der Sonnenscheibe zu optimieren, was zudem im Hinblick auf eine spätere regelmäßige Erzeugung von Dopplerkarten geschah. Dabei zeigte sich, daß unter der Berücksichtigung von Parametern wie der Anzahl der verwendeten Filtergramme, der Absorptionstiefe in He I, dem Signal-Rausch-Verhältnis und der Größe der betrachteten Strukturen eine Präzision von etwa 1 km/s für rekonstruierte Sichtliniengeschwindigkeiten möglich ist, der verwendete Ansatz aber offenbar keine Komplettlösung für alle Geschwindigkeitsbereiche bieten kann.
Es ist bekannt, daß der schnelle Sonnenwind in und oberhalb koronaler Löcher zu finden ist, d.h. in Gebieten, die in Spektrallinien im EUV- und Röntgenbereich nur geringe Emission im Vergleich zu ihrer Umgebung zeigen. In welcher Höhe die Beschleunigung der Teilchen dabei beginnt, ist nach wie vor ungeklärt. Es wurde daher eine Untersuchung von Regionen in He I 10830 A unterhalb koronaler Löcher durchgeführt, um zu sehen, ob das Einsetzen des schnellen Sonnenwindes bereits in der oberen Chromosphäre zu finden ist. In mehreren Datensätzen von ChroTel sowie in einem weiteren des CHIP-Instrumentes konnten dafür jedoch keine Anhaltspunkte gefunden werden, was auf eine Entstehungshöhe des schnellen Sonnenwindes in der Übergangsregion oder darüber hindeutet.
Desweiteren wurden Geschwindigkeiten im chromosphärischen Netzwerk untersucht. Dabei sind tendenzielle Rotverschiebungen zu erkennen, welche mit einer chromosphärischen Fortführung der aus der Übergangsregion bekannten mittleren Rotverschiebungen erklärt werden könnten. Zudem ist eine tendenzielle Blauverschiebung des nicht-magnetischen Internetzwerkes erkennbar, welche mit der Vorstellung von sich nach oben ausbreitenden akustischen Wellen aus der Photosphäre vereinbar wäre.
Im letzten Teil der Arbeit werden erste Ergebnisse einer noch andauernden Untersuchung von Plasmaströmungen in einer magnetischen Struktur gezeigt. Hierfür wurden sowohl ChroTel-Daten als auch hochaufgelöste Aufnahmen mit TIP (Tenerife Infrared Polarimeter) verwendet, kombiniert mit Daten von TRACE aus höheren Schichten. Dabei deutet sich das Bild einer magnetischen Flußröhre an, die bis hoch in die Korona reicht. In der Struktur werden Geschwindigkeiten von auf- und abströmendem Plasma beobachtet, welche mit +/- 40 km/s deutlich oberhalb der Schallgeschwindigkeit in der Chromosphäre liegen. Der zugrundeliegende Mechanismus für die Strömungen ist dabei mit dem Konzept eines sogenannten siphon flows vereinbar. Dabei wird das Plasma durch die unterschiedliche Magnetfeldstärke und den dadurch resultierenden Gasdruckunterschied in den Fußpunkten der Flußröhre getrieben. Dies wäre die erste empirische Bestätigung der Existenz einer solchen Strömung von der Photosphäre bis in die Korona und wieder zurück.


SWD-Schlagwörter: Sonne , Chromosphäre
Freie Schlagwörter (deutsch): Ganzsonnen-Teleskop
Freie Schlagwörter (englisch): Sun , chromosphere , full-disk telescope
PACS Klassifikation 96.60.Na
Institut: Physikalisches Institut
Fakultät: Fakultät für Mathematik und Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Peter, Hardi (PD Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 15.06.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 23.06.2010
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