[論文レビュー] Quasi-planar ICME sheath: a cause of first two-step extreme geomagnetic storm of 25th solar cycle observed on 23 April 2023

Kalpesh Ghag, Anil Raghav+6 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2023

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、2023年4月23日、太陽活動25周期における最初の2段階にわたる極端な磁気嵐の主因である、準平面的磁気構造（PMS）をICMEのシース（sheath）内に特定した。Sym-H ≈ −231 nT であった。準PMS内での断熱的拡張が弱まったことで、イオン圏磁場の南向き成分が強化され、地球の磁気圏へのエネルギーおよびプラズマの効率的移入が可能となり、磁気圏の磁気圏壁が6.6 RE未満まで圧縮された。その結果、地球静止軌道衛星に影響を及ぼした。

ABSTRACT

Interplanetary Coronal Mass Ejections (ICMEs) are prominent drivers of space weather disturbances and mainly lead to intense or extreme geomagnetic storms. The reported studies suggested that the planar ICME sheath and planar magnetic clouds (MCs) cause extreme storms. Here, we investigated the severe two-step geomagnetic storm ($Dst \sim -187$ nT) of 25$^{th}$ solar cycle. Our analysis demonstrates flattened (pancaked) ICME structures, i.e., quasi-planar magnetic structures (PMS). The study corroborates our earlier reported finding that the less adiabatic expansion in quasi-PMS transformed ICME enhanced the strength of the southward magnetic field component. It contributes to the efficient transfer of plasma and energy in the Earth's magnetosphere to cause the observed severe storm.

研究の動機と目的

• 2023年4月23日に観測された太陽活動25周期における最初の2段階にわたる極端な磁気嵐の物理的メカニズムを調査すること。
• 特に磁場構造とプラズマダイナミクスに注目して、ICMEシースが極端な嵐状態を引き起こす役割を特定すること。
• シース内に存在する準平面的磁気構造（PMS）が、イオン圏磁場（IMF）の南向き成分をどのように強化するかを検討すること。
• 磁気圏壁の立ち退き距離が6.6 RE未満にまで短くなった影響が、地球静止軌道衛星運用に与える影響を評価すること。
• 準PMS構造内での断熱的拡張が弱いことで、磁気圏へのエネルギーおよびプラズマ移入が強化されるという仮説を検証すること。

提案手法

• 複数の宇宙船からのイン・サイト・ソーラー風および磁場データの分析により、ICMEシースおよびその磁場構造を同定する。
• 磁場幾何学およびPMS検出技術を用いて、シース領域内における準平面的配置を同定する。
• 準PMS内での南向きIMF成分（Bz）の定量的評価を行い、リング電流強化に果たす役割を評価する。
• 太陽風の動圧と磁場圧力のバランスモデルを用いて、磁気圏壁の立ち退き距離を推定する。
• 観測されたSym-H指数の最小値（≈−231 nT）と、南向きIMFおよびPMS構造の持続時間と強度の相関を分析する。
• リング電流ダイナミクスおよび嵐の回復を解釈するための既存モデルを用いて、嵐の進化を解釈する。

Figure 1: Top panel (a) SDO/AIA 171 Åfilter image of source active region of CME-1 on 01 Nov 2021 18:38 UT, and zoom snap of AR 13283. (b)zoomed snap of the EUV AIA 304 Åimages showing the flux rope eruption.(c) GOES X-ray plot for solar flare occurred on April 21, 2023, 17:44 UT. In the plot, the r

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2023年4月23日の極端な磁気嵐に寄与したICMEシース内の構造的特徴は何か？
• RQ2 ICMEシース内に形成された準平面的磁気構造（PMS）が、IMFの南向き成分をどのように強化するか？
• RQ3 準PMS領域における断熱的拡張の低減が、地球の磁気圏へのエネルギー移入をどのように増幅させるか？
• RQ4 ICMEの衝撃によって磁気圏壁はどの程度圧縮されたか？その結果の立ち退き距離は？
• RQ5 嵐の2段階的進化は、シースおよびPMS構造の時間的変化とどのように関連しているか？

主な発見

• 太陽活動25周期における最初の2段階にわたる極端な磁気嵐は、2023年4月23日に発生し、Sym-H指数の最小値は約−231 nTであった。
• 嵐は、標準的なPMSモデルと比較して断熱的拡張が弱い、ICMEシース内に形成された準平面的磁気構造（PMS）によって引き起こされた。
• この断熱的拡張の低減により、イオン圏磁場の南向き成分（Bz）が強化され、太陽風エネルギーが磁気圏への結合が長時間にわたり効率的に行われた。
• 磁気圏壁の立ち退き距離は6.6地球半径（RE）未満まで圧縮され、6 RE付近を軌道とする地球静止軌道衛星に顕著な影響を及ぼした。
• 嵐の2段階的性質は、シースおよびPMSの時間的進化と関連しており、Bzの増強と持続的な南向き指向が明確に観測された。
• 本研究の結果は、ICMEシース内に存在する準PMS構造が、エネルギー移入効率の向上により極端な磁気嵐を生成する上で極めて重要であるという仮説を支持する。

Figure 2: Top six panels show interplanetary parameters during ICME passage from 23-24 April 2023. The topmost panel display total interplanetary field strength ( $B_{mag}$ ). The 2nd panel from the top shows variation in magnetic field components( $B_{x}$ , $B_{y}$ , $B_{z}$ ). The third panel demo