[論文レビュー] Differential Emission Measure Evolution as a Precursor of Solar Flares

C. Gontikakis, I. Kontogiannis+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2020

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 31被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、太陽の活動領域における微分発光度（DEM）の時間的変化を、M級およびX級太陽フレアの予測要因として調査する。SDO/AIAおよびGAIA-DEMマップの時系列データを用いて、発光度の時間微分（$d\text{EM}/dt$）および最大DEM温度の時間微分（$dT_{\text{max}}/dt$）が、2～12時間以内のフレア予測において、符号なし磁束よりも高い予測能力を示す、信頼できる短期的予兆であることが判明した。

ABSTRACT

We analyse the temporal evolution of the Differential Emission Measure (DEM) of solar active regions and explore its usage in solar flare prediction. The DEM maps are provided by the Gaussian Atmospheric Imaging Assembly (GAIA-DEM) archive, calculated assuming a Gaussian dependence of the DEM on the logarithmic temperature. We analyse time-series of sixteen solar active regions and a statistically significant sample of 9454 point-in-time observations corresponding to hundreds of regions observed during solar cycle 24. The time-series analysis shows that the temporal derivatives of the Emission Measure dEM/dt and the maximum DEM temperature dTmax/dt frequently exhibit high positive values a few hours before M- and X-class flares, indicating that flaring regions become brighter and hotter as the flare onset approaches. From the point-in-time observations we compute the conditional probabilities of flare occurrences using the distributions of positive values of the dEM/dt, and dTmax/dt and compare them with corresponding flaring probabilities of the total unsigned magnetic flux, a conventionally used, standard flare predictor. For C-class flares, conditional probabilities have lower or similar values with the ones derived for the unsigned magnetic flux, for 24 and 12 hours forecast windows. For M- and X-class flares, these probabilities are higher than those of the unsigned flux for higher parameter values. Shorter forecast windows improve the conditional probabilities of dEM/dt, and dTmax/dt in comparison to those of the unsigned magnetic flux. We conclude that flare forerunner events such as preflare heating or small flare activity prior to major flares reflect on the temporal evolution of EM and Tmax. Of these two, the temporal derivative of the EM could conceivably be used as a credible precursor, or short-term predictor, of an imminent flare.

研究の動機と目的

• 太陽の活動領域における微分発光度（DEM）の時間的変化が、主要フレア（M級およびX級）の予兆としてどのように機能するかを評価すること。
• DEMから導かれるパラメータ（例：$d\text{EM}/dt$および$dT_{\text{max}}/dt$）が、太陽フレアの信頼できる短期的予測因子として機能するかを評価すること。
• DEMの時間的変化指標の予測性能を、従来の符号なし磁束予測子と比較すること。
• 正のDEM微分値の統計的有意性およびフレア予測への実用的価値を特定すること。

提案手法

• GAIA-DEMアーカイブから得られた全画面DEMマップを用い、SDO/AIAのUV観測データをもとに、DEMの対数温度依存性にガウス関数をフィットして算出された。
• 太陽活動周期24の間、16の活動領域と統計的に有意な9,454件の点時観測データを含む時系列データを分析した。
• ノイズを低減し信号検出を向上させるために、3次多項式を用いたSavitzky-Golayフィルタを用いて、DEM関連パラメータ（$d\text{EM}/dt$、$dT_{\text{max}}/dt$、$d\sigma/dt$）の時間微分を計算した。
• フレア発生時期を除き、フレア発生前の加熱段階を特定するために、正の微分値（$^{+}$）に焦点を当てた。
• 異なる予測時間窓（2、6、12、24時間）における、$d\text{EM}/dt^{+}$および$dT_{\text{max}}/dt^{+}$の分布に基づき、条件付きフレア発生確率を算出した。
• 受信者操作特性（ROC）分析および条件付き確率指標を用いて、DEMパラメータの予測性能を標準的な符号なし磁束予測子と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 微分発光度（DEM）の時間的変化は、M級およびX級の主要フレアの信頼できる予兆として機能するか？
• RQ2 フレア発生の直前、$d\text{EM}/dt$および$dT_{\text{max}}/dt$の正の時間微分値が高くなることは、フレア前の加熱を示唆するか？
• RQ3 2～12時間の短期的フレア予測において、$d\text{EM}/dt^{+}$の予測性能は、符号なし磁束予測子と比べて優れているか？
• RQ4 C級、M級、X級フレアの全範囲において、DEMベースの予測子は磁束予測子よりも効果的か？ これは、異なる予測時間窓で成り立つか？
• RQ5 DEMパラメータは、主要フレアの直前におけるフレア前の加熱または小規模フレア活動をどの程度反映しているか？

主な発見

• M級およびX級フレアの数時間前には、発光度の正の時間微分（$d\text{EM}/dt^{+}$）および最大DEM温度の正の時間微分（$dT_{\text{max}}/dt^{+}$）が頻繁に高値を示し、フレア前の加熱およびプラズマの明るみを示している。
• M級およびX級フレアにおいて、予測時間窓を2～12時間に短縮し、しきい値が0.3を超えると、$d\text{EM}/dt^{+}$から導かれる条件付き確率が、符号なし磁束からのものよりも高いことが判明した。
• $d\text{EM}/dt^{+}$は、$dT_{\text{max}}/dt^{+}$よりも高い条件付きフレア確率を示しており、これはEMが温度最大値よりもフレア前の加熱に対してより感度が高いことを示している。
• $d\sigma/dt^{+}$パラメータは、分布の重なりが大きく、フレア発生と非発生の区別が困難であったため、さらなる分析から除外された。
• DEMベースの予測子は、特に主要フレアの短期的予測（2～12時間）において、標準的な符号なし磁束予測子を上回る性能を示した。
• 結果から、フレア前の加熱および小規模フレア活動がDEMの時間的変化に反映されており、$d\text{EM}/dt^{+}$が、近い将来のフレアを示す信頼できる短期的予兆として浮き彫りになった。