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Thesis (Ph.D.) -- University of Texas at Arlington, 2008.

Solar magnetic fields, as well as temperature changes, introduce pressure deviations that play a significant role in modulating the resonant frequencies of p-mode oscillations. Those pressure deviations occurring in the atmosphere or sub-surface of the Sun can explain the frequency shifts observed on the timescale of the solar activity cycle. A separate study of the contribution of internal magnetic layers can clarify the relative importance of surface effects. Results from helioseismology provide realistic constraints for choosing parameters suitable to represent the magnetic layers buried in the solar interior and available for modelling, i.e. at the base of the convection zone and in the sunspots' anchoring zone. Diagnostics of the internal magnetic layers are obtained through a schematic model in which the Sun is plane-stratified. The influence of a buried magnetic field on p-modes is explored, and the nature of various waves and instabilities that can arise on such a buried magnetic field is assessed. By treating the effects of internal magnetic layers, this thesis contributes to the building of a bridge between theories and observations. On the one hand, the theoretical analysis is explored carefully in the course of its formulation, which generates new hypotheses that were not obvious so far. On the other hand, observations help to understand which explanations of the solar cycle frequency shifts may apply.

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No / The three seismic sources, S1, S2, and S3, detected from MDI Dopplergrams using the time-distance (TD) diagram technique are presented with the locations, areas, and vertical and horizontal velocities of the visible wave displacements. Within the data cube of 120 Mm, the horizontal velocities and the wave propagation times vary slightly from source to source. The momenta and start times measured from the TD diagrams in sources S1-S3 are compared with those delivered to the photosphere by different kinds of high-energy particles with the parameters deduced from hard X-ray and ¿-ray emission, as well as by the hydrodynamic shocks caused by these particles. The energetic protons (power laws combined with quasi-thermal ones, or jets) are shown to deliver momentum high enough and to form the hydrodynamic shocks deep enough in a flaring atmosphere to allow them to be delivered to the photosphere through much shorter distances and times. Then the seismic waves observed in the sources S2 and S3 can be explained by the momenta produced by hydrodynamic shocks, which are caused by mixed proton beams and jets occurring nearly simultaneously with the third burst of hard X-ray and ¿-ray emission in the loops with footpoints in the locations of these sources. The seismic wave in source S1, delayed by 4 and 2 minutes from the first and second hard X-ray bursts, respectively, is likely to be associated with a hydrodynamic shock occurring in this loop from precipitation of a very powerful and hard electron beam with higher energy cutoff mixed with quasi-thermal protons generated by either of these two bursts.

Wie seit schon einigen Jahrzehnten bekannt ist, werden akustische Oszillationen durch stellare Aktivität beeinflusst. Die globalen akustischen Moden in der Sonne weisen eine Variation mit dem 11-jährigen Sonnenzyklus auf. Ein ähnliches Phänomen konnte auch in anderen Sternen mit Hilfe von Asteroseismologie nachgewiesen werden. In dieser Arbeit erforsche ich den Einfluss von großen Sternflecken auf globale Oszillationen mit niedrigem Grad ℓ. Als wichtigstes Werkzeug benutze ich hierfür den GLASS Kode, der die Ausbreitung von linearen akustischen Wellen im Sterninneren in 3D simuliert. Zunächst habe ich das Problem der konvektiven Stabilisierung betrachtet, welches bei jedem linearen Oszillationskode im Zeitbereich auftritt. Ich präsentiere eine allgemeine Methode um konvektiv stabile Hintergrundsmodelle für ein vorgegebenes Sternmodell zu erzeugen. Dabei werden wichtige Eigenschaften des ursprünglichen Modells beibehalten, beispielsweise das hydrostatische Gleichgewicht. Ich schlage einen störungstheoretischen Ansatz vor, um das akustische Wellenfeld in dem ursprünglichen instabilen Sternmodell näherungsweise zu erlangen. Tests zeigen, dass für Moden mit niedrigem Grad ℓ und einer Frequenz um 3 mHz die korrigierten Frequenzen mit einer Genauigkeit von 1 μHz mit den exakten Werten übereinstimmen. Zweitens habe ich mit Hilfe des GLASS Kodes den Einfluss einer am Nordpol des Sterns lokalisierten Störung der Schallgeschwindigkeit auf radiale, dipolare und quadrupolare Oszillationsmoden untersucht. Diese Studie zeigt auf, dass die axialsymmetrischen Moden dadurch am stärksten beeinflusst werden und im Falle von großen Sternflecken können ihre Frequenzen nicht mit der linearen Theorie berechnet werden. Die Form der Eigenfunktionen der Moden weicht von reinen Kugelflächenfunktionen ab und werden mit Kugelflächenfunktionen mit unterschiedlichem Grad ℓ vermischt. Dies könnte die korrekte Identifikation der Moden in der spektralen Leistungsdichte beeinflussen. Drittens habe ich den beobachtbaren Einfluss eines großen Sternflecks auf Moden mit Grad ℓ betrachtet. Im Falle einer aktiven Region, die mit dem Stern rotiert (und sich nicht am Pol befindet), ist die Störung nicht stabil, wenn sie in einem Inertialsystem betrachtet wird. Der kombinierte Einfluss von Rotation und Sternfleck veranlasst jede Mode, in der beobachteten spektralen Leistungsdichte als (2ℓ + 1)² Peaks aufzutreten. Die Einhüllende der spektralen Leistungsdichte eines Multipletts ist also komplex und hängt von dem Breitengrad ab, wo sich die aktive Region befindet, und vom Inklinationswinkel des Sterns. Ich berechne die spektrale Leistungsdichte für einige Beispiele sowohl mit Störungstheorie als auch mit Hilfe von GLASS. Diese Arbeit soll dazu beitragen, die spektrale Leistungsdichte von oszillierenden Sternen, die Sternflecken aufweisen, zu interpretieren.

Made available in DSpace on 2017-07-21T19:25:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Leandro Cesar Mehret.pdf: 8744490 bytes, checksum: 465e2639fa577422eaca8eaa7960c516 (MD5) Previous issue date: 2015-03-24 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Helioseismology aims to study the oscillations observed on the surface of the Sun. These oscillations are acoustic and stationary waves called p modes, and penetrate the solar interior and provide information about the internal structure. Because these waves have small amplitudes, they can be dealed with small perturbations in a model in hydrostatic equilibrium. Acoustic waves can be represented by spherical harmonics, characterized by l degree, m order and n order (nodes on radial direction). The p modes are waves whose restoration force are pressure, and g modes are waves whose restoration force are gravity. The data analyzed in this study were obtained from the Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) that integrates the SDO mission (Solar Dynamics Observatory). Filtergrams are narrow band wavelength filters very close to some absorption line of the Sun. From the filtergrams obtained by the HMI, a processing pipeline generates the arrays and, describing the limb brightness and displacement as a function of central angle around the limb, respectively. Through a computer program developed in IDL (Interactive Data Language), used to calculate the Fourier transform of the arrays and we obtained the modes, and compared the results of the transform with frequencies of oscillation modes obtained by other authors (in the literature) using data obtained by MDI (Michelson Doppler Imager) and GONG (Global Oscillation Network Group), in order to find the characteristic frequencies of the modes. From this analysis, we obtained the relation between amplitude and frequency for the modes, it has been found that the behavior of the full width at half maximum as a function of the frequency confirm some results found in the literature, it was found larger amplitudes for low frequencies, confirming the theoretical prediction of Toutain’s model (1998) and we found the arise of degeneracy of the modes for different m values. It was also found that the noise presence in data is significant, and probably is the main source of error. / A Heliosismologia tem por objetivo o estudo das oscilações observadas na superfície do Sol. Estas oscilações são ondas acústicas estacionárias chamadas modos p, que penetram no interior solar e trazem informações sobre a estrutura interna. Por causa da sua pequena amplitude, essas oscilações podem ser tratadas com pequenas perturbações em um modelo em equilibrio hidrostático. As ondas acústicas podem ser representadas por meio de harmônicos esféricos, caracterizados pelo grau l, ordem m e ordem n (nós na direção radial). Os modos p são ondas cuja força restauradora é a pressão, enquanto os modos g são ondas cuja força restauradora é a gravidade. Os dados analisados neste trabalho foram obtidos a partir do Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) que integra a missão SDO (Solar Dynamics observatory). Filtrogramas são filtros de banda de comprimento de onda bem estreito próximos de uma determinada linha de absorção do Sol. A partir dos filtrogramas obtidos pelo HMI, um pipeline de processamento de dados gera os vetores e , que descrevem o brilho e o deslocamento em função do ângulo central em torno do limbo, respectivamente. Através de um programa computacional desenvolvido em linguagem IDL (Interactive Data Language), calculou-se a transformada de Fourier dos vetores e obtendo-se os modos, e comparou-se o resultado da transformada com frequências dos modos de oscilação obtidos por outros autores (na literatura) usando dados obtidos pelo MDI (Michelson Doppler Imager) e pelo GONG (Global Oscillation Network Group) para encontrar as frequências características dos modos. Com resultados desta análise, obteve-se a relação entre a amplitude e a frequência para os modos, verificou-se que o comportamento da largura à meia altura em função da frequência confirma alguns resultados encontrados na literatura, constatou-se a existência de amplitudes maiores para baixas frequências, confirmando-se a previsão teórica do modelo de Toutain (1998) e verificou-se o levantamento da degenerescência dos modos para diferentes valores de m. Também constatou-se que a presença de ruído nos dados foi significativa, constituindo provavelmente a principal fonte de erro.

Die effiziente Kompression von Daten wird eine wichtige Rolle für mehrere bevorste- hende und geplante Weltraummissionen spielen, die Helioseismologie betreiben werden, wie beispielsweise Solar Orbiter. Solar Orbiter ist die nächste Mission, die Helioseismologie beinhaltet, und soll im Oktober 2018 gestartet werden. Das Hauptmerkmal von Solar Orbiter ist der Orbit. Die Umlaufbahn des Satelliten wird zur Ekliptik geneigt sein, sodass der Satellit einen solaren Breitengrad von bis zu 33 Grad erreichen wird. Dies wird erstmals ermöglichen, die Pole der Sonne mit Hilfe von lokaler Helioseismologie zu studieren. Zusätzlich dazu können kombinierte Beobachtungen von Solar Orbiter und einem anderen Instrument dazu benutzt werden, die tiefen Schichten der Sonne mittels stereoskopischer Helioseismologie zu erforschen. Die Aufnahmen der Dopplergeschwindigkeit und der Kontinuumsintensität, die für Helioseismologie benötigt werden, werden vom Polarimetric and Helioseismic Imager (PHI) geliefert werden. Große Hindernisse für Helioseismologie mit Solar Orbiter sind die niedrige Datenüber- tragungsrate und die (wahrscheinlich) kurzen Beobachtungszeiten. Außerdem erfordert die Untersuchung der Pole der Sonne Beobachtungen in der Nähe des Sonnenrandes, sogar von dem geneigten Orbit von Solar Orbiter aus. Dies kann zu systematischen Fehlern führen. In dieser Doktorarbeit gebe ich eine erste Einschätzung ab, wie stark Helioseismologie von verlustbehafteter Datenkompression beeinflusst wird. Mein Schwerpunkt liegt dabei auf der Solar Orbiter Mission, die von mir erzielten Ergebnisse sind aber auch auf andere geplante Missionen übertragbar. Zunächst habe ich mit Hilfe synthetischer Daten die Eignung des PHI Instruments für Helioseismologie getestet. Diese basieren auf Simulationen der Konvektion nahe der Sonnenoberfläche und einem Modell von PHI. Ich habe eine sechs Stunden lange Zeitreihe synthetischer Daten erstellt, die die gleichen Eigenschaften wie die von PHI erwarteten Daten haben. Hierbei habe ich mich auf den Einfluss der Punktspreizfunktion, der Vibrationen des Satelliten und des Photonenrauschen konzentriert. Die von diesen Daten abgeleitete spektrale Leistungsdichte der solaren Oszillationen legt nahe, dass PHI für Helioseismologie geeignet sein wird. Aufgrund der niedrigen Datenübertragungsrate von Solar Orbiter müssen die von PHI für die Helioseismologie gewonnenen Daten stark komprimiert werden. Ich habe den Einfluss von Kompression mit Hilfe von Daten getestet, die vom Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) stammen. HMI ist ein Instrument an Bord des Solar Dynam- ics Observatory Satelliten (SDO), der 2010 gestartet worden ist. HMI erstellt mit hoher zeitlicher Abfolge Karten der Kontinuumsintensität, der Dopplergeschwindigkeit und des kompletten Magnetfeldvektors für die komplette von der Erde aus sichtbare Hemispäre der Sonne. Mit Hilfe mit von HMI aufgenommenen Karten der Dopplergeschwindigkeit konnte ich zeigen, dass das Signal-zu-Rausch Verhältnis von Supergranulation in der Zeit-Entfernungs Helioseismologie nicht stark von Datenkompression beeinflusst wird. Außerdem habe ich nachgewiesen, dass die Genauigkeit und Präzision von Messungen der Sonnenrotation mittels Local Correlation Tracking von Granulation durch verlust- behaftete Datenkompression nicht wesentlich verschlechtert werden. Diese Ergebnisse deuten an, dass die niedrige Datenübertragungsrate von Solar Orbiter nicht unbedingt ein großes Hinderniss für Helioseismologie sein muss.

Local helioseismology consists of methods which study the propagation of the waves through the solar interior. The properties of the waves encode conditions in the plasma along their propagation trajectories. Local helioseismology allows us to learn about these conditions. The principal method utilised in this thesis is the time-distance local helioseismology. The time-distance method is based on measurements of travel times of the waves, hence it is sensitive especially to plasma flows and sound-speed perturbations, to which we focus. We utilised the inverse modelling, mainly using subtractive optimally localised averaging method with a minimisation of the cross-talk. This method was modified to allow for a simultaneous inversion of vector flows and sound-speed perturbation. This combination makes use of both the difference and the mean point-to-annulus averaging geometries of wave travel times in both the ridge and the phase-speed filtering approaches. The combined inversion provides us with more information about the inverted quantities. Moreover, the user can control the cross-talk and other important mathematical properties of the objects involved. The modified methodology was thoroughly tested. The main results may be summarised in five points. First, for successful inversions of the sound-speed...