[論文レビュー] Space weather: the solar perspective -- an update to Schwenn (2006)

Manuela Temmer|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2021

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 519被引用数 262

ひとこと要約

この論文は、太陽の視点から空間weaerを更新した Schwenn (2006) の研究を補足し、コロナル・マス・エジェクション（CMEs）、フレア、太陽高エネルギー粒子（SEPs）、太陽風ストリーム相互作用領域（SIRs）に焦点を当てる。STEREO、パーカー太陽探査機、Solar Orbiter からのマルチポイント観測を活用し、CMEの進化とSEP予測の3次元モデリングを進展させ、太陽風ダイナミクスと空間weaer影響予測の理解を顕著に向上させた。

ABSTRACT

The Sun, as an active star, is the driver of energetic phenomena that structure interplanetary space and affect planetary atmospheres. The effects of Space Weather on Earth and the solar system is of increasing importance as human spaceflight is preparing for lunar and Mars missions. This review is focusing on the solar perspective of the Space Weather relevant phenomena, coronal mass ejections (CMEs), flares, solar energetic particles (SEPs), and solar wind stream interaction regions (SIR). With the advent of the STEREO mission (launched in 2006), literally, new perspectives were provided that enabled for the first time to study coronal structures and the evolution of activity phenomena in three dimensions. New imaging capabilities, covering the entire Sun-Earth distance range, allowed to seamlessly connect CMEs and their interplanetary counterparts measured in-situ (so called ICMEs). This vastly increased our knowledge and understanding of the dynamics of interplanetary space due to solar activity and fostered the development of Space Weather forecasting models. Moreover, we are facing challenging times gathering new data from two extraordinary missions, NASA's Parker Solar Probe (launched in 2018) and ESA's Solar Orbiter (launched in 2020), that will in the near future provide more detailed insight into the solar wind evolution and image CMEs from view points never approached before. The current review builds upon the Living Reviews paper by Schwenn from 2006, updating on the Space Weather relevant CME-flare-SEP phenomena from the solar perspective, as observed from multiple viewpoints and their concomitant solar surface signatures.

研究の動機と目的

• 2006年の Living Reviews 論文を、CMEs、フレア、SEPs、SIRs に焦点を当てて更新すること。
• STEREO、パーカー太陽探査機、Solar Orbiter からのマルチビュー観測を統合し、太陽活動の3次元的理解を深めること。
• 太陽表面の特徴と惑星間の乱れ、地球効果の結果を結びつけることで、空間weaer予測を改善すること。
• 投影効果、磁場の外挿誤差、および希なイン・サイト測定による現在のモデルの限界を解消すること。
• より正確な空間weaer予測のため、L4/L5観測や極軌道ミッションを含む、主なデータギャップと今後のミッション要件を特定すること。

提案手法

• STEREO-A/B、パーカー太陽探査機（PSP）、Solar Orbiter からのマルチスペースクラフト観測を統合し、CMEs や太陽風の複数の視点からの研究を実施。
• ステレオスコピーおよびヘリオスフィア的イメージングを用いたCMEs および ICMEs の3次元再構築により、投影効果を低減し、伝播モデリングを改善。
• L1および惑星間の宇宙船からのイン・サイト測定を用い、CMEs や SEPs の遠隔測定観測の検証とキャリブレーションを実施。
• 太陽表面の代理指標（例：活動区域の複雑性、磁場の進化）をCMEおよびSEPパラメータと統合し、予測モデルの改善を図る。
• アンサンブルモデリングおよび機械学習技術を用いて、CMEおよびSEP予測における不確実性を扱い、誤報率を低減。
• 国際的なデータプラットフォーム（ESA/SSA、NASA/CCMC）を活用し、予測ツールのテストと運用化を実施し、R2O（研究から運用）への移行を支援。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 STEREO、PSP、Solar Orbiter からのマルチポイント観測は、CMEs および ICMEs の3次元再構築と伝播モデリングをどのように向上させるか？
• RQ2 磁気再結合は、フレア、CMEs、SEP加速をどのように結合し、より良くモデリングできるか？
• RQ3 ストリーム相互作用領域（SIRs）やコロナルホールといったコロナル構造は、CMEおよびSEPの進化を予め準備するか？
• RQ4 現在の空間weaer予測モデルの主な限界は何か？マルチインSTRUMENT、マルチポイントデータは不確実性をどのように低減できるか？
• RQ5 投影効果を最小限に抑えるために、将来のミッション設計（例：L5、極軌道）はどのようなものが必要か？

主な発見

• STEREOのマルチポイント観測により、太陽近くのCMEs とその惑星間対応物（ICMEs）との、初めてのシームレスな3次元的つながりが確立された。
• パーカー太陽探査機の太陽半径10以内の接近観測により、太陽風の起源および加速プロセス、SEPsのプロセスに関する前例のないデータが得られた。
• Solar Orbiter の特異な高傾斜軌道により、太陽の極域の詳細な研究が可能となり、コロナルホールとその高速太陽風ストリームにおける役割の理解が向上した。
• マルチポイント観測は、投影効果を顕著に低減し、CMEの速度、進行方向、磁場の向きの推定精度を向上させた。
• アンサンブルモデリングおよび機械学習技術により、SEP予測における誤報率は低減したが、磁場測定が不完全なため、課題は依然残っている。
• L4/L5ポイントからの連続的な側面観測が欠如していることが、主なギャップであり、CMEの歪みの少ない追跡能力を制限している。