[論文レビュー] Study of the propagation, in situ signatures, and geoeffectiveness of shear-induced coronal mass ejections in different solar winds

Dana-Camelia Talpeanu, Stefaan Poedts+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2021

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 56被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、2.5次元MHDシミュレーションを用いて、異なる太陽風条件下でのせん断誘発CMEの1AUまでの伝播をモデル化し、そのイン・サイト特性と地球環境影響性を分析した。CMEの尾部に形成されるプラズマブロブは、特定の初期磁場配置を示しており、宇宙天気への影響は、磁場のBz成分が正である場合に顕著に低下することが判明した。これは、磁気再結合が宇宙天気影響を調節する役割を果たしていることを示している。

ABSTRACT

Aims: Our goal is to propagate multiple eruptions - obtained through numerical simulations performed in a previous study - to 1 AU and to analyse the effects of different background solar winds on their dynamics and structure at Earth. We also aim to improve the understanding of why some consecutive eruptions do not result in the expected geoeffectiveness, and how a secondary coronal mass ejection (CME) can affect the configuration of the preceding one. Methods: Using the 2.5D magnetohydrodynamics (MHD) package of the code MPI-AMRVAC, we numerically modeled consecutive CMEs inserted in two different solar winds by imposing shearing motions onto the inner boundary. The initial magnetic configuration depicts a triple arcade structure shifted southward, and embedded into a bimodal solar wind. We compared our simulated signatures with those of a multiple CME event in Sept 2009 using data from spacecraft around Mercury and Earth. We computed and analysed the Dst index for all the simulations performed. Results: The observed event fits well at 1 AU with two of our simulations, one with a stealth CME and the other without. This highlights the difficulty of attempting to use in situ observations to distinguish whether or not the second eruption was stealthy, because of the processes the flux ropes undergo during their propagation in the interplanetary space. We simulate the CMEs propagated in two different solar winds, one slow and another faster one. Only in the first case, plasma blobs arise in the trail of eruptions. Interestingly, the Dst computation results in a reduced geoeffectiveness in the case of consecutive CMEs when the flux ropes arrive with a leading positive Bz. When the Bz component is reversed, the geoeffectiveness increases, meaning that the magnetic reconnections with the trailing blobs and eruptions strongly affect the impact of the arriving interplanetary CME.

研究の動機と目的

• 異なる背景太陽風条件が連続するCMEの伝播、構造、および地球環境影響性に与える影響を調査すること。
• 連続するCMEのうち、一部が想定される地球環境影響を示さない理由、特に二次的CMEが「静か」な場合の理由を特定すること。
• 二次的CMEが、宇宙空間内での伝播中に、先行するCMEの磁場配置と影響をどのように変化させるかを分析すること。
• 2009年のMCMEイベントの観測データ（水星軌道探査機および地球軌道探査機から得たもの) と、シミュレーションのイン・サイト特性を比較すること。
• シミュレーションから得た速度、Bz、動圧を用いてDSTインデックスを計算・解釈し、CME構成と太陽風条件の変化に対するストーム強度と回復段階の評価を行うこと。

提案手法

• MPI-AMRVACに実装された2.5次元MHDパッケージを用いた数値シミュレーションにより、低コロナ領域の境界でせん断運動によって駆動されるCMEをモデル化した。
• 電流を運ぶ構造に適応する連続的なメッシュ細分化技術を導入し、フラックスロープの正確な追跡を確保した。
• CMEの進化と噴出後の構造に与える影響を評価するため、ゆっくりとした太陽風と速い太陽風の2つの異なる背景太陽風条件をシミュレーションした。
• スティーリーCMEは、コロナ磁場の再配置によって生じるものであり、南端の極性反転線でのせん断運動に起因するとした。
• 2009年9月21日〜22日のMCMEイベントの観測データ（STEREO、OMNI）と、シミュレーションのイン・サイト特性を比較した。
• シミュレーションされた速度、Bz、動圧を用いて、地球環境影響性とストーム強度を評価するために、経験的にDSTインデックスを計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゆっくりとした太陽風と速い太陽風の条件下で、連続するCMEの後続に形成されるプラズマブロブやフラックスロープ構造にどのような影響があるか？
• RQ2 明らかな爆発が見られるにもかかわらず、一部の連続CMEが強い地球環境影響を示さないのはなぜか。磁気再結合はその要因としてどのような役割を果たすか？
• RQ3 宇宙空間内での進化を考慮した場合、イン・サイト観測が、静か（スティーリー）な二次的CMEと非静か（非スティーリー）なCMEをどの程度区別できるか？
• RQ4 インタープランネット磁場のBz成分の極性が、地球に到達する複数のCMEの地球環境影響性にどのように影響するか？
• RQ5 シミュレーションから算出されたDSTインデックスは、観測されたストーム特性を再現できるか。また、その振幅と回復段階に最も強く影響を与える要因は何か？

主な発見

• 2つのシミュレーションケース（スティーリーCMEを含むものと含まないもの）が、1AUにおける2009年MCMEイベントのイン・サイト特性を再現した。これは、伝播後におけるスティーリー爆発の同定に観測的曖昧性があることを示している。
• プラズマブロブは、ゆっくりとした太陽風の場合にのみCMEの尾部に形成された。これは、初期磁場配置と背景太陽風速度の診断指標である可能性を示唆している。
• CMEが先頭で正のBzを伴って到達した場合、磁気再結合がCME尾部で発生し、南向きBz成分が弱まるため、地球環境影響性が顕著に低下した。
• Bz極性を逆転させた場合、すべてのシミュレーションで地球環境影響性が向上した。これは、Bz方向がストーム強度を支配する主要要因であることを示している。
• シミュレーションにおけるDST回復段階は、観測より長く、よりゆっくりとした傾向を示した。これは、主なCME通過後にDSTをさらに低下させる未モデル化の二次的イベントが存在した可能性を示唆している。
• 動圧は、正のBzケースにおいてストーム振幅により大きな寄与を示したが、Bz極性が逆転した場合には、BzがDST変動の主因のままだった。