[論文レビュー] Ionosphere-thermosphere global time response to geomagnetic storms

Denny M. Oliveira, E. Zesta+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2017

Ionosphere and magnetosphere dynamics参考文献 20被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、2001年5月から2011年9月の間の168件のCME駆動型磁気ストームに対して、CHAMPおよびGRACE衛星データを用いた重ね合わせエポック解析を通じて、全球的熱層中性密度応答を分析している。その結果、高緯度地域ではストーム発生後1.5時間以内にジュール加熱の増強により加熱が発生し（最大200％増加）、一方で低緯度地域の加熱は約3時間遅れ、主に大気を伝搬する波動的擾乱（TADs）によって駆動されている。また、B_y成分に起因するわずかな南北非対称性も観測された。

ABSTRACT

In this study, we investigate thermospheric neutral mass density heating associated with 168 CME-driven geomagnetic storms in the period of May 2001 to September 2011. We use neutral density measured by two low-Earth orbit satellites: CHAMP and GRACE. For each storm, we superpose geomagnetic and density data for the time when the IMF B$_\mathrm{z}$ component turns sharply southward chosen as the zero epoch time. This indicates the storm main phase onset. We find that the average SYM-H index reaches the minimum of $-$42 nT near 12 hours after storm main phase onset. The Joule heating is enhanced by approximately 200\% in comparison to quiet values. In respect to thermosphere density, on average, high latitude regions (auroral zones and polar caps) of both hemispheres are highly heated in the first 1.5 hour of the storm. The equatorial response is presumably associated with direct equator-ward propagation of TADs (traveling atmospheric disturbances). A slight north-south asymmetry in thermosphere heating is found and is most likely due to a positive B$_\mathrm{y}$ component in the first hours of the storm main phase.

研究の動機と目的

• CME駆動型磁気ストームに伴う熱層中性質量密度の全球的時間応答を定量すること。
• ストーム発生後の各緯度帯（高緯度、中緯度、低緯度）における加熱の時間的・空間的発展を特定すること。
• 磁気圏のIMF B_y成分に起因する熱層加熱の両半球非対称性を調査し、その関連を解明すること。
• ストーム応答の経験的遅延時間を提供することで、熱圏モデルの性能を向上させること。

提案手法

• 168件のCME駆動型ストームに対して、IMF B_zの南向き転換時をゼロエポックとして重ね合わせエポック解析を実施（2001年5月〜2011年9月）。
• OMNIWebおよび京都WDCから取得した1分間解像度のSYM-HインデックスおよびIMF B_zデータを用い、ストーム発生時刻とジュール加熱を定義。
• CHAMPおよびGRACE衛星の加速度計を用いて熱層中性質量密度を測定し、JB2008モデルを用いて410 km高度に補正。
• 背景および太陽活動に起因する変動を除くために、密度増幅係数を log₁₀(ρ₄₁₀ / ρ_Q,JB410) として計算。
• 季節補正を施した経験的ジュール加熱モデル（Knippら、2004年）を用いてエネルギー堆積量を推定。
• MLATゾーンごとの加熱・冷却の時間的・空間的発展を分析し、TADの伝搬およびサーモスタット効果を同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CME駆動型ストーム発生後の熱層中性質量密度の全球的時間的発展はどのように変化するか？
• RQ2 高緯度、中緯度、低緯度地域は、ストームエネルギー堆積にどの程度の速さで反応するか？
• RQ3 特に南半球において観測された熱層加熱の両半球非対称性の原因は何か？
• RQ4 伝搬する大気擾乱（TADs）は、低緯度における密度摂動をどの程度説明できるか？
• RQ5 なぜ高緯度地域は中緯度および低緯度地域よりも冷却に時間がかかるのか？

主な発見

• SYM-Hインデックスは、ストーム主要段階発生後約12時間で-42 nTの最小値に達する。
• ストーム発生後、ジュール加熱は静穏時値（30 GW）から約200％増加し、125 GWに上昇する。
• 高緯度地域（オーロラ帯および極域）では、ストーム発生後1.5時間以内に顕著な加熱が観測される。
• 低緯度熱層加熱は、高緯度から伝搬するTADに起因し、約3時間の遅れを示す。
• 中緯度地域は、ストーム発生後約6時間で加熱から回復し、低緯度の回復を前後する。
• わずかな南北非対称性が観測され、これはストーム主要段階発生直後の正のIMF B_y成分に起因すると考えられる。