Bananen-Donut Tomographie der Sonne

Für die tomographische Untersuchung der Erde oder der Sonne mit Wellen endlicher Wellenlänge sind Modelle der Sensitivität seismischer Laufzeiten auf lokalisierte Inhomogenitäten äußerst wichtig. Dies wurde schon anhand der kontroversen Entdeckung von Plumes (konzentrierte Abwärtsströmungen) im Erdmantel gezeigt.

Wir verwendeten "Time-Distance"-Helioseismologie, um die räumliche Sensitivität der Laufzeiten von Schwerewellen an der Sonnenoberfläche auf magnetische Störungen zu messen. Die Ergebnisse favorisieren sehr stark die "Bananen-Donut"-Theorie. Gemäß dieser Theorie hängen die Laufzeiten von Wellen in einem Körper von einem breiten Bereich um den eigentlichen geometrischen Strahlengang ab.

Das Oberflächenmagnetfeld der Sonne wird durch konvektive Bewegungen in dem magnetischen Netzwerk der ruhigen Sonne konzentriert. Die typische Größe eines solchen magnetischen Elements ist kleiner als die Wellenlänge der solaren Oszillationen. Sie stellen somit ein ideales Studienobjekt dar, um daran die Reaktion der Laufzeiten der seismischen Wellen auf diese nahezu punktförmigen Störungen zu untersuchen.

Hierzu verwendeten wir einen 400 Stunden langen Datensatz mit hochaufgelösten Bildern der Sichtlinienkomponente des Magnetfelds und ebenso die entsprechenden Messungen der Sichtliniengeschwindigkeit auf der Sonne. Die Aufzeichnungen erfolgten 1996-97 durch das MDI/SOHO Weltraumteleskop. Für Intervalle von 4 Stunden Länge haben wird die Positionen der am stärksten konzentrierten Magnetfelder bestimmt. Im Mittel haben diese Magnetfeldkonzentrationen einen Durchmesser von 2.6 Mm. Die Geschwindigkeitsaufzeichnungen (eine pro Minute) wurden für die seismische Analyse herangezogen. Schwerewellen an der Sonnenoberfläche propagieren in den oberen 2 Mm unter der Sonnenoberfläche horizontal und haben eine typische Wellenlänge von 5 Mm.

Für diese Wellen haben wir die Laufzeiten zwischen verschiedenen Stellen, die einen gegebenen Abstand von 9.9 Mm entfernt waren, bestimmt.

Um das Rauschen zu unterdrücken, wurden die Karten der Laufzeitmessungen für alle Magnetfeldkonzentrationen gleich ausgerichtet und gemittelt, was zu einer Gesamtkarte der Sensitivität der Laufzeiten auf lokale magnetische Störungen führte. Abbildung 1a zeigt, dass die Sensitivität nicht allein auf den geometrischen Strahlengang begrenzt ist, sondern sich vielmehr über einen elliptischen Bereich erstreckt. Zudem ist die Sensitivität oszillatorisch.

Durch die Untersuchung der Wechselwirkung von seismischen Wellen mit Magnetfeldkonzentrationen auf der Sonne, haben wir von Seiten der Beobachtung eine Bestätigung der wichtigen "Bananen-Donut"-Theorie gefunden, die ursprünglich für die Tomographie der Erde entwickelt wurde. Dies ist der erste Test ausserhalb eines Labors, der die Bedeutung der Streutheorie für die Laufzeitbestimmung von Schallwellen zeigt (Laboruntersuchungen gibt es für Ultraschallwellen). Wir können folgern, dass wie in der Geoseismologie diese Modelle herangezogen werden müssen, wenn man die tiefergelegenen Schichten des Sonneninnern, insbesondere jene, in denen der Sonnendynamo vermutet wird, untersuchen will.

Abbildung 1: Sensitivität der Laufzeiten solarer Oberflächenwellen auf kleine Magnetfeldkonzentrationen.
(a) Beobachtungen basierend auf Daten vom hochaufgelösten Gesichtsfeld des MDI-SOHO Weltraumteleskops. Eine Magnetfeldkonzentration an der Stelle (x,y) verursacht eine Veränderung in der gemessenen Laufzeit zwischen den zwei Beobachtungspunkten (Kreuze). Die Farbskala gibt die Veränderung der Laufzeit auf Grund eines 1 kGauss starken Magnetfelds an, das einen Quadratmegameter bedeckt.
(b) Phenomenologisches Modell für einen magnetischen Punktstreuer basierend auf der "Bananen-Donut"-Theorie. Ein Streuer, der irgendwo auf einer Ellipse plaziert ist (mit dem Fokus bei den Beobachtungspunkten), verursacht Veränderungen der Laufzeit mit demselben Vorzeichen, was der Ursprung für Fresnel Zonen ist. Das hyperbolische Verhalten hat seine Ursache in der Streuung der Wellen, die von entfernten Quellen stammen.

Originalveröffentlichung

Duvall T.L., Birch A.C., & Gizon L.
Direct measurement of travel-time sensitivity kernels for helioseismology
Astrophysical Journal, in press, 2006