Inferences of the deep solar meridional flow

Die meridionale Strömung im Sonneninneren ist wichtig, um den Ursprung des Aktivitätszyklus der Sonne zu erklären. Neueste helioseismische Schätzungen dieser Strömung kommen jedoch zu konträren Ergebnissen in Schichten tiefer als etwa 0,9 Sonnenradien.

Ziel dieser Arbeit ist es, zu einem besseren Verständnis der tiefen meridionalen Strömung im Sonneninneren beizutragen. In der Laufzeit-Laufstrecken Helioseismologie (engl. time-distance helioseismology), der meistverwendeten Methode zur Untersuchung dieser Strömung, werden Laufzeiten von Wellenpaketen gemessen, die zwischen zwei Orten an der Oberfläche propagieren. Bisher wurden diese Messungen mit der Wellenpfadnäherung (engl. ray approximation) modelliert, in der angenommen wird, dass die Wellen auf einem unendlich dünnen Wellenpfad propagieren. In der Bornschen Näherung jedoch wird die Streuung des Wellenfeldes durch die Strömung an jedem Ort im Sonneninneren in erster Ordnung modelliert. Sie ist ein genaueres Modell der Physik im Sonneninneren.

Im ersten Schritt dieser Arbeit wird ein existierendes Modell zur Berechnung der Sensitivität von Laufzeitmessungen auf Strömungen mittels der Bornschen Näherung von kartesischer auf sphärische Geometrie erweitertert.

Im zweiten Schritt wird das Modell mittels einer numerischen Simulation linearer Wellenausbreitung validiert. Eine Inversion künstlicher Wellenlaufzeiten für meridionale Strömung zeigt eine exzellente Übereinstimmung im Falle rauschfreier Daten und sie reproduziert viele Aspekte des ursprünglichen Flussmodells im Falle verrauschter Daten.

Schließlich wird die tiefe meridionalen Strömung mit der neuen Methode geschätzt.
Es werden Daten der Global Oscillation Network Group (GONG) verwendet, die bereits mit der Wellenpfadnäherung und der Substractive Optimized Localized Averaging (SOLA) Method invertiert wurden. Mittels einer existierenden Formel für die Kovarianz der Laufzeitmessungen wird gezeigt, dass die Annahme unkorrelierter Daten aus früheren Studien zu einer Unterschätzung der Fehler in den invertierten Strömungen um einen Faktor von zwei bis vier führen kann.

Die invertierte meridionale Strömung oberhalb von etwa 0,85 Sonnenradien bestätigt die vorherigen Ergebnisse insbesondere bezüglich eines flachen Rückflusses zum Äquator in einer Tiefe von etwa 0,9 Sonnenradien, mit Unterschieden in der Stärke der Strömung.

Unterhalb von 0,85 Sonnenradien hängt das Ergebnis von den Schwellenwerten in der Singulärwertzerlegung ab. Ein Resultat ähnelt dem aus der Wellenpfadnäherung mit einer Strömungszelle pro Hemisphäre. Andere Ergebnisse zeigen mehrere Flusszellen in der südlichen Hemisphäre mit zwei oder drei Zellen in radialer Richtung. Trotzdem stimmen alle Resulte im Rahmen der Fehler mit den gemessenen Laufzeiten überein.

Um eine eindeutige Schlussfolgerung unterhalb von 0,85 Sonnenradien zu erzielen, müssen die Fehler in den Laufzeitmessungen in zukünftigen Studien deutlich reduziert werden. Als Ergebnis ist die aktuelle Kontroverse über Messungen meridionaler Strömung also deutlich entspannt, indem die Messfehler angemessen berücksichtigt werden.