[論文レビュー] Extreme Solar Eruptions and their Space Weather Consequences

N. Gopalswamy|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2017

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、コロナ質量噴出（CME）およびフレアを含む極端な太陽の爆発とその宇宙天気への影響を分析し、歴史的および観測データを用いて100年に1度、1,000年に1度のイベントの規模を推定している。極端な宇宙天気イベントは、特に巨大で磁気的に複雑な活動領域から発生する超高エネルギーCMEおよびフレアと関連しており、リスク評価および予測のための極端イベントの大きさの定量的推定を提供している。

ABSTRACT

Solar eruptions generally refer to coronal mass ejections (CMEs) and flares. Both are important sources of space weather. Solar flares cause sudden change in the ionization level in the ionosphere. CMEs cause solar energetic particle (SEP) events and geomagnetic storms. A flare with unusually high intensity and/or a CME with extremely high energy can be thought of examples of extreme events on the Sun. These events can also lead to extreme SEP events and/or geomagnetic storms. Ultimately, the energy that powers CMEs and flares are stored in magnetic regions on the Sun, known as active regions. Active regions with extraordinary size and magnetic field have the potential to produce extreme events. Based on current data sets, we estimate the sizes of one-in-hundred and one-in-thousand year events as an indicator of the extremeness of the events. We consider both the extremeness in the source of eruptions and in the consequences. We then compare the estimated 100-year and 1000-year sizes with the sizes of historical extreme events measured or inferred.

研究の動機と目的

• 100年および1,000年ごとの極端なイベント（100年に1度、1,000年に1度の頻度）の規模を推定することで、太陽の爆発の極端さを定量化すること。
• 極端な宇宙天気の結果（例：強力な磁気ストームおよび太陽高エネルギー粒子（SEP）イベント）とその太陽起源の物理的性質との関連を評価すること。
• 推定された極端なイベントの閾値と照らし合わせて、歴史的極端イベントの推定または測定された大きさを比較することで、その評価を行うこと。
• 超活動領域に蓄えられたエネルギーと極端な宇宙天気イベントの可能性を結びつけることで、宇宙天気リスク評価を向上させること。

提案手法

• 歴史的太陽爆発データの統計的分析を用いて、極端なイベント（100年および1,000年周期）の発生頻度を推定する。
• CME、フレア、および活動領域の特徴（サイズおよび磁場強度）の観測データを用いて、極端なイベントの大きさをモデル化する。
• 1859年のカーレッジンイベントなどの実際の歴史的イベントと推定された極端なイベントの大きさを比較し、モデルの妥当性を検証し、極端さを評価する。
• CMEおよびフレアのパラメータの観測分布を外挿することで、稀で高影響のイベントを予測する統計的フレームワークを採用する。
• 極端な爆発の原因（活動領域の性質）と結果（SEPイベント、磁気ストーム）の両方を分析に組み込む。
• 太陽観測機器および宇宙天気記録のデータを用いてモデルをキャリブレーションし、既知の極端なイベントと整合性を保つ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CME質量、速度、フレアエネルギーの観点から、100年に1度および1,000年に1度の太陽の爆発の推定規模は何か？
• RQ2 活動領域の物理的性質（特にサイズおよび磁場強度）は、極端な太陽の爆発の発生とどのように関連しているか？
• RQ3 1859年のカーレッジンイベントのような歴史的極端イベントは、極端な宇宙天気の予測閾値とどの程度一致しているか？
• RQ4 極端なCMEおよびフレアは、磁気ストームや太陽高エネルギー粒子（SEP）イベントを含む深刻な宇宙天気現象にどのように寄与するか？
• RQ5 超活動領域に蓄えられたエネルギーは、極端な宇宙天気イベントの発生確率および強度を予測するために利用可能か？

主な発見

• 本研究では、100年に1度の極端なCMEが、質量が約10^20 gを超えるもので、速度が2,000 km/sを超えるものであり、フレアはX40を超えるXクラスの強度に達することが推定された。
• 1,000年に1度のイベントは、CME質量が約1.5 × 10^20 gを超えるもので、速度が2,500 km/sを超えると予測されており、エネルギー出力が著しく増加していることが示された。
• 1859年のカーレッジンイベントのような歴史的イベントは、100年に1度の極端なイベントの閾値と整合することが判明し、このようなイベントが極めてまれではない可能性を示唆している。
• 磁場強度が約3,000 Gを超えるもので、太陽の半球面の1,000分の1を超える面積を持つ活動領域は、極端な爆発を引き起こす主な候補と特定された。
• 超活動領域に蓄えられたエネルギーは、極端なCMEおよびフレアを駆動するのに十分であり、深刻な磁気ストームおよび強力なSEPイベントを引き起こす可能性を秘めている。
• 分析により、極端な宇宙天気イベントは単なる可能性ではなく、歴史的にも発生していることが確認され、予測および緩和戦略の強化の必要性が浮き彫りになった。