Solar coronal holes observed with SOHO - ETH E

Diss ETH No. 14150
Solar coronal holes observed with
SOHO
A dissertation submitted to the
SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY
ZURICH
for the degree of
Doetor of Natural Seienee
Presented by
Katja S. STUCKI
lug. mee. dipl. EPFL
born January 11th 1967
in Geneva, Switzerland
aeeepted on the reeommendation of
Prof. Dr. J .0. Stenflo, examiner
Prof. Dr. S.K. Solanki and
Dr. U. Sehühle, eoexaminers
Institute of Astronomy
ETH Zürich, 2001
Abstract
This thesis is devoted to the analysis of solar coronal holes, based on
observations recorded by instruments of the SORO spacecraft (SOlar
and Heliospheric Observatory). SORO provides us for the first time
high spectral and spatial resolution observations with several instruments
operating in the extreme ultraviolet wavelength range. This allows us
to study the mysterious coronal holes, regions of the corona with open
magnetic field lines from where the fast solar wind originates.
The current knowledge about coronal holes and their observed features is described first. The advantages of space based observations are
briefly explained. An introduction to the corona and the solar wind is
followed by a more detailed description of "coronal holes", regions appearing dark relative to the rest of the corona in x-rays. They are the
source regions of the fast solar wind. The observation of these features
using SORO requires a detailed knowledge of the instruments and their
often hidden influence on the data. Thus the instruments used are described, along with the problems of data acquisition, reduction, and their
calibration.
In a first step of the analysis, some results obtained with the spectrograph SUMER (Solar Ultraviolet Measurements of Emitted Radiation)
are presented. A set of 12 extreme-ultraviolet spectral lines covering a
wide range of formation temperatures was recorded across the boundary
of the northern coronal hole at solar activity minimum. They are analysed using a moment method to determine their parameters in coronalhole and quiet-Sun regions: Intensities, wavelength shifts and line widths.
A distinct outflow of plasma is found in coronal holes relative to the quiet
Sun. To investigate this effect further, the data set was widened to 26
chromospheric, transition-region and coronal lines recorded in a northern and in a southern polar coronal hole, and they were analysed using
Gaussian fitting. It was found that with increasing formation temper-
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Abstract
ature of a spectral line, it shows on average an increasingly stronger
blueshift in coronal holes relative to the quiet Sun. This suggests that
the fast solar wind is accelerated very dose to the solar surface. The
spectral line widths are also generally larger and the intensity distributions narrower inside coronal holes. The next study investigates the
relationship between wavelength shifts of lines and intensities of the chromospheric network using the same data as before. Within coronal holes
almost all the lines formed above 30 000 K show a correlation between
blueshifts and brightness of the network. This supports the finding that
the outflowing material from coronal holes emanates from the network.
The normal quiet Sun, however, show such a trend only for lines formed
above 2 - 3 . 105 K, suggesting a difference in the initial acceleration of
solar wind in these two regions. To condude the part of the thesis based
on the investigation of SUMER data, I present a comparison of spectra
covering the complete SUMER spectral range measured inside apolar
coronal hole and in the adjacent quiet Sun.
Finally, an analysis of the same phenomena but using data from the
spectrograph CDS (Coronal Diagnostic Spectrometer) is induded. 14
EUV emission lines observed in coronal holes and the quiet Sun are analyzed. The spectral range of the CDS instrument provides more coronal
spectrallines, which allows us to extend the analysis to ions with higher
formation temperatures. Furthermore, these data sample a far larger
area on the solar surface, thus providing better statistics, although less
spectral resolution. The data revealed increased coronal hole plasma outflows with increasing line formation temperature, confirming the previous
results from SUMER. Coronal holes become dearly visible in intensity
above 8.10 5 K. The correlation of the line shift with the intensity of the
chromospheric network could be confirmed for transition-region lines, but
this correlation seems to be lost at higher temperatures.
Resume
Le sujet de cette these est l'analyse des traus coronaux solaires, basee
sur des observations enregistrees par les instruments du satellite SOHO
(SOlar and Heliospheric Observatory). Avec SOHO, il est possible pour la
premiere fois d'obtenir des observations d'une grande resolution spatiale
et spectrale avec plusieurs instruments operants dans la gamme des longueurs d'ondes de l'extreme ultra-violet. Ceci nous permet d'etudier les
mysterieux traus coronaux, regions de la couronne solaire presentants des
lignes de champ magnetique ouvertes, a l'origine du vent solaire rapide.
La premiere partie du travail comprend la description des connaissances actuelles sur les trous coronaux et leurs caracteristiques. Les
avantages des observations effectuees depuis l'espace sont brievement expliques. Une introduction sur la couronne et le vent solaire precede une
description plus detaillee des "trous coronaux" , regions qui apparaissent
foncees par rapport au reste de la couronne dans les images rayons X.
Ce sont les regions a l'origine du vent solaire rapide. L'observation de
ces structures avec SOHO requiere une connaissance approfondie des
instruments et de leurs infiuences souvent cachees sur les donnees recueillies. C'est pourquoi les instruments utilises sont decrits, ainsi que
les problemes d'acquisition des donnees, leurs reductions et leurs calibrations.
Quelques resultats obtenus avec le spectrographe SUMER (Solar UItraviolet Measurements of Emitted Radiation) sont presentes dans une
premiere etape de l'analyse. Un set de 12 lignes spectrales dans l'extreme
ultra-violet couvrant une gamme etendue de temperatures de formation
a ete enregistre a cheval sur la frontiere du trau coronal de l'hemisphere
nord durant le minimum de l'activite solaire. Ces lignes sont analysees a
l'aide d'une methode de moments, afin de determiner leurs parametres
dans les regions solaires calmes et les trous coronaux : intensite, decalage
spectral et largeur des lignes spectrales. On constate distinctement un
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Resurne
courant de plasma ascendant s'echappant des trous coronaux relativement aux regions solaires calmes. Pour examiner cet effet de facon plus
approfondie, le set de donnees fut elargit a 26 lignes spectrales de la chromosphere, de la zone de transition et de la couronne, enregistrees dans
un trou coronal de l'hemisphere nord et un autre de l'hemisphere sud, et
analysees en utilisant une approximation par une courbe de Gauss. On
constate que plus la temperature de formation des lignes spectrales est
elevee, plus le spectre se decale vers le "bleu" dans les trous coronaux
par rapport aux regions solaires calmes. Cela implique que le vent solaire rapide est tres probablement accelere tres proehe de la surface du
soleil. Les lignes spectrales sont generalement plus larges et la repartition
de leurs intensites plus etroite a l'interieur des trous coronaux. L'etude
suivante est consacree a l'analyse des relations entre les decalages des
lignes spectrales et les intensites dans le reseau chromospherique, utilisant pour cela les memes donnees qu'auparavant. Dans les trous coronaux, presque toutes les lignes spectrales formees au-dessus de 30 000 K
montrent une correlation entre les decalages vers le "bleu" et l'intensite
du reseau chromospherique, Cela confirme la decouverte que les courants
de plasma ascendants des trous coronaux emanent bien du reseau. Les
regions solaires calmes, quant a e1les, montrent une telle tendance qu'ä
partir d'une temperature de formation des lignes de 2-3'10 5 K, suggerant
une difference dans l'acceleration initiale du vent solaire entre ces deux
regions, La derniete etude dans cette partie de la these basee sur des investigations de donnees de SUMER presente une comparaison de spectres
couvrant la gamme spectrale complete de SUMER, mesures a l'interieur
d'un trou coronal ainsi que dans la region solaire calme adjacente.
La seconde etape de l'analyse etudie les memes phenomenes mais
utilisant des donnees du spectrographe CDS (Coronal Diagnostic Spectrometer). 14 lignes spectrales d'emission dans l'extreme ultra-violet observees dans des trous coronaux et des regions calmes sont analysees.
L'etendue de la gamme spectrale de l'instrument CDS contient plus
de lignes spectrales coronales, ce qui nous permet d'etendre l'analyse
a des ions ayants des temperatures de formation plus elevees, De plus,
ces donnees representent une plus grande surface sur le soleil, procurant
une meilleure statistique, neanmoins au prix d'une resolution spectrale
moindre. Ces donnees revelent une augmentation des courants de plasma
ascendants dans les trous coronaux pour des temperatures de forma-
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tion des lignes en augmentation, confirmant les precedents resultats de
SUMER. Les trous coronaux deviennent clairement visibles en intensite
au-dessus de 8 . 105 K. La correlation entre les decalages spectraux et
les intensites du reseau chromospherique peut etre confirmee pour les
lignes de la zone de transition, mais cette correlation semble perdue aux
temperatures plus elevee.