Published June 1, 2022
| Version v1
Publication
Open
Variability of the Sun's Luminosity Places Constraints on the Thermal Equilibrium of the Convection Zone
Creators
- 1. National Institute for Space Research
- 2. Laboratory for Atmospheric and Space Physics
- 3. French National Centre for Scientific Research
- 4. Université d'Orléans
- 5. National Space Science Center
- 6. Chinese Academy of Sciences
Description
Abstract Luminosity, which is the total amount of radiant energy emitted by an object, is one of the most critical quantities in astrophysics for characterizing stars. Equally important is the temporal evolution of a star's luminosity because of its intimate connection with the stellar energy budget, large-scale convective motion, and heat storage in the stellar interior. The Sun's luminosity and its variation have not been measured to date because current observations of the solar radiative output have been restricted to vantage points near the Earth. Here, we model the solar luminosity by extending a semiempirical total solar irradiance (TSI) model that uses solar-surface magnetism to reconstruct solar irradiance over the entire 4 π solid angle around the Sun. This model was constrained by comparing its output to the irradiance in the Earth's direction with the measured TSI. Comparing the solar luminosity to the TSI on timescales from days to solar cycles for cycles 23 and 24, we find poor agreement on short timescales (<solar rotation). This is not unexpected due to the Earth-centric viewing geometry and short-term irradiance dependence on surface features on the Earth-facing solar disk. On longer timescales, however, we find good agreement between the luminosity model and the TSI, which suggests that the extrapolation of luminosities to multicycle timescales based on TSI reconstructions may be possible. We show that the solar luminosity is not constant but varies in phase with the solar cycle. This variation has an amplitude of 0.14% from minimum to maximum for Solar Cycle 23. Considering the energetics in the solar convection zone, it is therefore obvious that a steady-state input from the radiative zone at the solar minimum level would lead to a gradual reduction in the energy content in the convection zone over multicentury timescales. We show that the luminosity at the base of the convection zone should be approximately 0.032% higher than that at the solar surface during solar minimum to maintain net energy equilibrium through the solar cycle. These different energy-input scenarios place constraints on the long-term evolution of the TSI and its impact on the solar forcing of climate variability. These results highlight the convection zone's role as an energy reservoir on solar-cycle timescales and set constraints for dynamo models intending to understand the long-term evolution of the Sun and solar analogs.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
اللمعان المجرد، وهو الكمية الإجمالية للطاقة الإشعاعية المنبعثة من جسم ما، هي واحدة من أهم الكميات في الفيزياء الفلكية لتمييز النجوم. بنفس القدر من الأهمية التطور الزمني لسطوع النجم بسبب ارتباطه الحميم بميزانية الطاقة النجمية، والحركة الحملية واسعة النطاق، وتخزين الحرارة في الداخل النجمي. لم يتم قياس لمعان الشمس وتغيرها حتى الآن لأن الملاحظات الحالية للناتج الإشعاعي الشمسي قد اقتصرت على نقاط المراقبة بالقرب من الأرض. هنا، نقوم بنمذجة اللمعان الشمسي من خلال توسيع نموذج الإشعاع الشمسي الكلي شبه التجريبي (TSI) الذي يستخدم مغناطيسية السطح الشمسي لإعادة بناء الإشعاع الشمسي على كامل الزاوية الصلبة البالغة 4 π حول الشمس. تم تقييد هذا النموذج من خلال مقارنة إنتاجه بالإشعاع في اتجاه الأرض مع مؤشر TSI المقاس. عند مقارنة اللمعان الشمسي بمؤشر TSI على الجداول الزمنية من الأيام إلى الدورات الشمسية للدورتين 23 و 24، نجد اتفاقًا ضعيفًا على الجداول الزمنية القصيرة (< الدوران الشمسي). هذا ليس غير متوقع بسبب هندسة العرض التي تتمحور حول الأرض والاعتماد على الإشعاع على المدى القصير على الميزات السطحية على القرص الشمسي المواجه للأرض. ومع ذلك، على المقاييس الزمنية الأطول، نجد اتفاقًا جيدًا بين نموذج اللمعان ومؤشر TSI، مما يشير إلى أن استقراء اللمعان إلى المقاييس الزمنية متعددة الدورات بناءً على إعادة بناء مؤشر TSI قد يكون ممكنًا. نظهر أن اللمعان الشمسي ليس ثابتًا ولكنه يختلف في الطور مع الدورة الشمسية. تبلغ سعة هذا الاختلاف 0.14 ٪ من الحد الأدنى إلى الحد الأقصى للدورة الشمسية 23. بالنظر إلى الطاقة في منطقة الحمل الحراري الشمسي، من الواضح أن مدخلات الحالة الثابتة من المنطقة الإشعاعية عند المستوى الأدنى للطاقة الشمسية ستؤدي إلى انخفاض تدريجي في محتوى الطاقة في منطقة الحمل الحراري على مدى فترات زمنية متعددة القرون. نوضح أن اللمعان عند قاعدة منطقة الحمل الحراري يجب أن يكون أعلى بنسبة 0.032 ٪ تقريبًا من ذلك على السطح الشمسي أثناء الحد الأدنى للطاقة الشمسية للحفاظ على توازن الطاقة الصافية خلال الدورة الشمسية. تضع سيناريوهات مدخلات الطاقة المختلفة هذه قيودًا على التطور طويل الأجل لمؤشر TSI وتأثيره على التأثير الشمسي لتقلب المناخ. تسلط هذه النتائج الضوء على دور منطقة الحمل الحراري كخزان للطاقة على الجداول الزمنية للدورة الشمسية وتضع قيودًا لنماذج الدينامو التي تهدف إلى فهم التطور طويل الأجل للشمس والنظائر الشمسية.Translated Description (French)
Résumé La luminosité, qui est la quantité totale d'énergie rayonnante émise par un objet, est l'une des quantités les plus critiques en astrophysique pour caractériser les étoiles. Tout aussi importante est l'évolution temporelle de la luminosité d'une étoile en raison de son lien intime avec le budget énergétique stellaire, le mouvement convectif à grande échelle et le stockage de chaleur dans l'intérieur stellaire. La luminosité du Soleil et sa variation n'ont pas été mesurées à ce jour car les observations actuelles de la production radiative solaire ont été limitées à des points de vue proches de la Terre. Ici, nous modélisons la luminosité solaire en étendant un modèle d'irradiance solaire totale (TSI) semi-empirique qui utilise le magnétisme de surface solaire pour reconstruire l'irradiance solaire sur l'ensemble de l'angle solide de 4 π autour du Soleil. Ce modèle a été contraint en comparant sa sortie à l'irradiance dans la direction de la Terre avec la STI mesurée. En comparant la luminosité solaire à la STI sur des échelles de temps allant des jours aux cycles solaires pour les cycles 23 et 24, nous trouvons un mauvais accord sur des échelles de temps courtes (< rotation solaire). Ce n'est pas inattendu en raison de la géométrie de visualisation centrée sur la Terre et de la dépendance de l'irradiance à court terme sur les caractéristiques de surface du disque solaire faisant face à la Terre. Sur des échelles de temps plus longues, cependant, nous trouvons un bon accord entre le modèle de luminosité et la STI, ce qui suggère que l'extrapolation des luminosités à des échelles de temps multicycle basées sur des reconstructions STI peut être possible. Nous montrons que la luminosité solaire n'est pas constante mais varie en phase avec le cycle solaire. Cette variation a une amplitude de 0,14% du minimum au maximum pour le cycle solaire 23. Compte tenu de l'énergie dans la zone de convection solaire, il est donc évident qu'une entrée en régime permanent de la zone radiative au niveau minimum solaire conduirait à une réduction progressive du contenu énergétique dans la zone de convection sur des échelles de temps de plusieurs siècles. Nous montrons que la luminosité à la base de la zone de convection devrait être supérieure d'environ 0,032% à celle à la surface solaire pendant le minimum solaire pour maintenir l'équilibre énergétique net tout au long du cycle solaire. Ces différents scénarios d'intrants énergétiques imposent des contraintes sur l'évolution à long terme de la STI et son impact sur le forçage solaire de la variabilité climatique. Ces résultats mettent en évidence le rôle de la zone de convection en tant que réservoir d'énergie sur les échelles de temps du cycle solaire et fixent des contraintes pour les modèles de dynamo visant à comprendre l'évolution à long terme du Soleil et des analogues solaires.Translated Description (Spanish)
La luminosidad abstracta, que es la cantidad total de energía radiante emitida por un objeto, es una de las cantidades más críticas en astrofísica para caracterizar las estrellas. Igualmente importante es la evolución temporal de la luminosidad de una estrella debido a su íntima conexión con el presupuesto de energía estelar, el movimiento convectivo a gran escala y el almacenamiento de calor en el interior estelar. La luminosidad del Sol y su variación no se han medido hasta la fecha porque las observaciones actuales de la salida de radiación solar se han restringido a puntos ventajosos cerca de la Tierra. Aquí, modelamos la luminosidad solar extendiendo un modelo de irradiancia solar total (TSI) semiempírico que utiliza el magnetismo de la superficie solar para reconstruir la irradiancia solar en todo el ángulo sólido de 4 π alrededor del Sol. Este modelo se limitó comparando su salida con la irradiancia en la dirección de la Tierra con la TSI medida. Al comparar la luminosidad solar con la ETI en escalas de tiempo de días a ciclos solares para los ciclos 23 y 24, encontramos un mal acuerdo en escalas de tiempo cortas (< rotación solar). Esto no es inesperado debido a la geometría de visualización centrada en la Tierra y la dependencia de la irradiancia a corto plazo de las características de la superficie en el disco solar orientado hacia la Tierra. Sin embargo, en escalas de tiempo más largas, encontramos un buen acuerdo entre el modelo de luminosidad y el TSI, lo que sugiere que la extrapolación de las luminosidades a escalas de tiempo de múltiples ciclos basadas en las reconstrucciones del TSI puede ser posible. Mostramos que la luminosidad solar no es constante sino que varía en fase con el ciclo solar. Esta variación tiene una amplitud de 0.14% desde el mínimo hasta el máximo para el Ciclo Solar 23. Teniendo en cuenta la energía en la zona de convección solar, es obvio que una entrada de estado estacionario desde la zona radiativa en el nivel mínimo solar conduciría a una reducción gradual en el contenido de energía en la zona de convección en escalas de tiempo de varios siglos. Mostramos que la luminosidad en la base de la zona de convección debe ser aproximadamente un 0,032% mayor que la de la superficie solar durante el mínimo solar para mantener el equilibrio energético neto a lo largo del ciclo solar. Estos diferentes escenarios de entrada de energía imponen restricciones a la evolución a largo plazo de la ETI y su impacto en el forzamiento solar de la variabilidad climática. Estos resultados destacan el papel de la zona de convección como depósito de energía en las escalas de tiempo del ciclo solar y establecen restricciones para los modelos de dínamo que pretenden comprender la evolución a largo plazo del Sol y los análogos solares.Files
pdf.pdf
Files
(11.9 kB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:f77ad98d39305bb719eb6873410788df
|
11.9 kB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تقلب لمعان الشمس يضع قيودًا على التوازن الحراري لمنطقة الحمل الحراري
- Translated title (French)
- La variabilité de la luminosité du soleil impose des contraintes sur l'équilibre thermique de la zone de convection
- Translated title (Spanish)
- La variabilidad de la luminosidad del sol coloca restricciones en el equilibrio térmico de la zona de convección
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4226168091
- DOI
- 10.3847/1538-4365/ac626d
References
- https://openalex.org/W1558583137
- https://openalex.org/W1621202181
- https://openalex.org/W1679898113
- https://openalex.org/W1891958527
- https://openalex.org/W1900455069
- https://openalex.org/W1921171233
- https://openalex.org/W1973630865
- https://openalex.org/W1978839768
- https://openalex.org/W1996698087
- https://openalex.org/W1997015642
- https://openalex.org/W2000311191
- https://openalex.org/W2001865900
- https://openalex.org/W2018635133
- https://openalex.org/W2020182256
- https://openalex.org/W2029071517
- https://openalex.org/W2037903767
- https://openalex.org/W2042517971
- https://openalex.org/W2059850656
- https://openalex.org/W2060427823
- https://openalex.org/W2072084781
- https://openalex.org/W2076620650
- https://openalex.org/W2082850205
- https://openalex.org/W2094688663
- https://openalex.org/W2097943545
- https://openalex.org/W2107596681
- https://openalex.org/W2110967629
- https://openalex.org/W2121604440
- https://openalex.org/W2131174359
- https://openalex.org/W2133484165
- https://openalex.org/W2134891801
- https://openalex.org/W2141117266
- https://openalex.org/W2142822059
- https://openalex.org/W2147742111
- https://openalex.org/W2152914296
- https://openalex.org/W2158612941
- https://openalex.org/W2158950390
- https://openalex.org/W2159695028
- https://openalex.org/W2166136547
- https://openalex.org/W2168227401
- https://openalex.org/W2168945024
- https://openalex.org/W2184081301
- https://openalex.org/W2409447747
- https://openalex.org/W2432091441
- https://openalex.org/W3028443202
- https://openalex.org/W3042016287
- https://openalex.org/W3100120766
- https://openalex.org/W3102675790
- https://openalex.org/W3103899728
- https://openalex.org/W3104370076
- https://openalex.org/W3109965626
- https://openalex.org/W3124360920
- https://openalex.org/W3124709388
- https://openalex.org/W4237129014
- https://openalex.org/W4245831945