Magnetic Flux Density as a Driver of Chromospheric and Coronal Emissions During the Rise of Solar Cycle 25

Résumé Technique : La densité de flux magnétique comme moteur des émissions chromosphériques et coronales pendant la montée du cycle solaire 25

Énoncé du problème
Les indicateurs de l'activité solaire, tels que le flux radio de 10,7 cm ($f_{10,7}$), l'indice Mg II et la raie Ca II K, sont largement utilisés pour estimer l'activité magnétique solaire et modéliser la météo spatiale. Cependant, ces indices ne mesurent pas directement les champs magnétiques ; ils répondent plutôt aux processus de chauffage atmosphérique et d'émission pilotés par l'activité magnétique. Les études précédentes reposaient souvent sur des ensembles de données à résolution spatiale et temporelle limitée ou se concentraient sur des densités de flux magnétique fortes ($B \ge 800$ G) lors de phases spécifiques du cycle solaire 24 (SC 24). Il existe un besoin de valider les indices de densité de flux magnétique (DFM) faible à travers les différentes phases du cycle solaire, spécifiquement pendant la phase ascendante du cycle solaire 25 (SC 25), afin de mieux comprendre la hiérarchie temporelle et les relations de causalité entre les champs magnétiques photosphériques et les émissions dans la chromosphère et la couronne.

Méthodologie
Cette étude a utilisé des données de champ magnétique de la ligne de visée à haute résolution provenant de l'instrument Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) à bord de l'Observatoire de la dynamique solaire (SDO), couvrant la période de 2020 à 2024. Les auteurs ont construit un indice de DFM quotidien moyen en sommant le flux magnétique absolu des pixels allant de 100 G à 800 G et en le normalisant par la surface totale du disque solaire. Cet indice de « DFM faible » a été comparé à des indicateurs d'activité solaire établis : le flux radio $f_{10,7}$ cm, l'indice Mg II et l'indice de la raie Ca II K.

L'analyse a employé une suite de techniques statistiques et de séries temporelles :

1. Analyse de corrélation : Les coefficients de corrélation de Pearson ($r$) et de Spearman ($\rho$) ont été calculés pour évaluer les relations linéaires et monotones. Le test de Henze–Zirkler (HZ) a été utilisé pour vérifier la normalité multivariée.
2. Analyse de corrélogramme : Elle a été utilisée pour quantifier les décalages temporels entre la DFM et les divers indicateurs.
3. Analyse par ondelettes : La transformée en ondelettes continue (CWT) utilisant l'ondelette de Morlet a été appliquée pour identifier les motifs périodiques et la puissance localisée dans le domaine temps-fréquence. La transformée en ondelettes croisées (XWT) a été utilisée pour analyser les périodes communes et les relations de phase entre la DFM et les indicateurs.

Résultats clés

• Corrélations fortes : L'étude a révélé de fortes corrélations linéaires et monotones entre l'indice de DFM faible et tous les indicateurs solaires. Le flux $f_{10,7}$ cm a présenté la corrélation la plus élevée ($r = 0,96$, $\rho = 0,96$), tandis que les indices chromosphériques (Mg II et Ca II K) ont également démontré des associations étroites ($r = 0,95$, $\rho = 0,94$).
• Hiérarchie temporelle : L'analyse par corrélogramme a révélé un décalage temporel distinct. Les changements dans la DFM photosphérique ont précédé les changements dans les indices chromosphériques (Mg II et Ca II K) d'environ 33 jours. En revanche, le flux $f_{10,7}$ cm a présenté un décalage temporel nul avec la DFM, variant simultanément.
• Variabilité périodique : Les spectres de puissance par ondelettes ont identifié une variabilité dominante sur des échelles de temps de 16 à 32 jours, correspondant à la période de rotation solaire (~27 jours). Cette modulation a été observée pour tous les paramètres, mais était particulièrement prononcée lors de la transition du minimum solaire vers la phase ascendante.
• Différences spatiales et physiques : L'analyse CWT a indiqué que les indices chromosphériques et la DFM présentaient de larges régions soutenues de puissance accrue, suggérant une variabilité étendue due à l'accumulation de structures magnétiques. À l'inverse, le flux $f_{10,7}$ cm a affiché des sursauts de puissance plus localisés et étroits, reflétant sa sensibilité aux régions actives à champ intense et compact (ex: taches solaires) plutôt qu'au réseau chromosphérique du disque complet.
• Relations de phase : L'analyse XWT a montré que le flux $f_{10,7}$ cm et la DFM maintenaient une relation de phase constante ($\phi \approx 0^\circ$). La relation entre la DFM et les indices chromosphériques était principalement en phase pendant des intervalles spécifiques (jours 790–1010) mais a présenté des déphasages plus complexes et intermittents lors des périodes ultérieures.

Principales contributions

• Validation de la DFM faible : L'étude valide avec succès un indice de DFM faible (100–800 G) comme un moteur robuste de l'activité solaire pendant la phase ascendante du SC 25, étendant les travaux précédents qui étaient limités aux flux forts ou au SC 24.
• Quantification des temps de retard : La recherche fournit une quantification spécifique du délai de 33 jours entre l'émergence du flux magnétique photosphérique et la réponse chromosphérique résultante, offrant une image plus claire de la propagation de l'énergie à travers les couches de l'atmosphère solaire.
• Différenciation des indicateurs : L'article distingue les origines physiques des différents indicateurs, démontnant que si le $f_{10,7}$ est un indicateur immédiat et synchrone de l'activité magnétique, les indices chromosphériques reflètent une réponse retardée et intégrée du réseau magnétique global.

Signification et affirmations
Les auteurs affirment que les champs magnétiques solaires sont les principaux moteurs des émissions chromosphériques et coronales. Les résultats confirment que le flux radio $f_{10,7}$ cm est un indicateur fiable et en temps réel de l'activité magnétique photosphérique sous-jacente, ce qui le rend crucial pour la prédiction de la météo spatiale et la prévision des perturbations ionosphériques. Inversement, le retard de 33 jours observé dans les indices chromosphériques suggère qu'ils constituent des diagnostics utiles pour suivre le couplage vertical des couches atmosphériques solaires lors des étapes ultérieures de la propagation de l'énergie.

L'étude conclut que ces résultats améliorent la compréhension de la relation entre le flux magnétique photosphérique et les indicateurs d'activité solaire, notant que différents indicateurs réagissent avec des vitesses et des caractéristiques spatiales variables. Cette connaissance est présentée comme essentielle pour affiner les modèles d'irradiance solaire et comprendre les interactions entre les différentes couches de l'atmosphère du Soleil pendant la phase ascendante d'un cycle solaire. Les auteurs déclarent explicitement que des travaux futurs examineront la relation entre l'indice de DFM et l'irradiance UV durant cette même phase du SC 25.