[論文レビュー] Relations between variability of the photospheric and interplanetary magnetic fields, solar wind and geomagnetic characteristics

E. Gavryuseva|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2018

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 10被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、1976年から2004年までの期間にわたり、WSOおよびOMNIデータを用いて、光球磁場の変動が太陽系の磁場および地球磁気圏パラメータに与える影響を、太陽の緯度に応じて直接比較した。その結果、2つの異なる太陽風および地球磁気圏反応群が特定された。1つは、惑星間磁場（IMF）および太陽風パラメータによって駆動されるもので、もう1つは、IMFのBz成分および関連する地球磁気圏インデックスに関連するものである。主な発見は、異なる緯度における太陽磁場のトポロジーが、ハリオスフィア的および地球磁気圏的変動における2つの異なる反応経路を支配しており、理論的モデルや仮定に依存しないことである。

ABSTRACT

Large scale solar magnetic field topology has a great influence on the structure of the corona, heliosphera and geomagnetic perturbations. Data obtained over the last three solar cycles have been analysed to reveal the relationships between the photospheric field measured along the line of sight by the WSO group at 30 levels of heliolatitudes from -75 to 75 degrees and the interplanetary magnetic field The main aim of this first paper is to make a direct comparison between the basic structure and dynamics of the photospheric magnetic field and components and intensity of the interplanetary magnetic field % solar wind and geomagnetic parameters without using theoretical assumptions, models, physical expectations, etc. The second paper by Gavryuseva, 2018d presents the raports between different characteristics of the solar wind at the Earth orbit, and geomagnetic parameters provided by the OMNI team. % Data obtained over the last three solar cycles have been analysed % to reveal the relationships % between the photospheric field measured along the line of sight % by the WSO group % at heliolatitudes from -75 to 75 degrees averaged over one year % and the interplanetary magnetic field, different characteristics % of the solar wind at the Earth orbit, and geomagnetic parameters. % provided by the OMNI team. The heliospheric and geomagnetic data are found to be divided into two groups characterized by their response to variability of the solar magnetic field latitudinal structures on short and on long time scales.

研究の動機と目的

• 光球磁場（SMF）の変動と惑星間・地球磁気圏パラメータとの間の直接的でモデルフリーな関係を確立すること。
• 太陽磁場の緯度的構造が、長期的および短期的時間スケールにおいて太陽風および地球磁気圏反応に与える影響を調査すること。
• 光球磁場および惑星間磁場の異なる成分に応じて、太陽風および地球磁気圏インデックスに現れる明確な反応パターンを同定すること。
• SMFの変動とそれらが惑星間および地球磁気圏パラメータに与える影響との間の最適な時間遅れを特定すること。
• 理論的仮定なしに、経験的相関解析を通じて太陽-地球結合の物理的基盤を明らかにすること。

提案手法

• 1976年から2004年までの日次データを用い、30の太陽磁気緯度（-75°から75°）における視線方向光球磁場（SMF）を、Wilcox太陽観測所（WSO）のデータから取得した。
• 1年および4年間の移動平均平滑化を適用し、長期的（SMF, SW）および短期的（FMF, FSW）変動成分を分離した。
• 1年平均と4年平均の差分として残差（FMF, FSW）を計算し、短期的フラクチュエーションを分離した。
• 異なる緯度におけるFMFと、FWSパラメータ（例：B, Vp, Np, AE, DST）との間の相互相関係数（K_cor）を、最適化された時間遅れを用いて計算した。
• 相関係数の緯度依存性を分析し、惑星間および地球磁気圏反応に最も影響を与える太陽磁場領域を同定した。
• OMNIデータベースを用い、惑星間磁場（B, Bx, By, Bz）、太陽風速度（Vp）、プロトン密度（Np）、圧力（P）、温度（Tp）、および地球磁気圏インデックス（AE, Kp, DST）のデータを取得した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光球磁場の緯度的構造は、惑星間磁場および太陽風パラメータの変動にどのように影響を与えるか？
• RQ2 光球磁場の変動とそれらが惑星間および地球磁気圏パラメータに与える影響との間の時間遅れは何か？
• RQ3 どの太陽風および地球磁気圏パラメータが、異なる緯度帯における光球磁場変動に対して一貫した反応を示すか？
• RQ4 光球磁場ダイナミクスに類似した反応を示す、惑星間および地球磁気圏パラメータの明確なグループが存在するか？
• RQ5 地球磁気圏インデックス（AE, Kp, DST）の反応は、IMFのBzおよびBy成分と、それらの緯度的駆動要因とどのように相関するか？

主な発見

• 光球磁場変動との相関に基づき、2つの異なる太陽風および地球磁気圏パラメータのグループが特定された。1つはIMFの大きさ（B）および太陽風パラメータ（P, Np, Vp）によって支配され、もう1つはBzおよびBy成分によって支配される。
• 光球磁場変動とIMF B成分との相関は強い緯度依存性を示し、±25°および±55°の太陽磁気緯度でピークに達した。これは、これらの地域がハリオスフィア的磁場変動の主な発生源であることを示している。
• オーロラ電流密度を反映するAEインデックスは、IMFのBおよびP成分と同様の反応を示し、低緯度の光球磁場構造からの共通の駆動要因があると考えられる。
• Kp惑星指数は明確な反応パターンを示し、IMFのBzおよびBy成分と強く相関しており、地球磁気嵐を引き起こす主な要因として、高緯度（±55°）の磁場構造が果たす重要な役割を示している。
• DSTインデックスはKpおよびBxと反比例的に反応し、BzおよびByの変動に顕著に敏感であり、±55°以下の緯度から発生する変動に起因している。
• ±55°の緯度における光球磁場の短期的変動（FMF）が、短期的太陽風および地球磁気圏フラクチュエーションと最も高い相関を示した。これは、これらの緯度が一時的な太陽風乱流の主な発生源であることを示している。