[論文レビュー] The Kinematics and Morphology of Solar Coronal Mass Ejections

Jason P. Byrne|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2012

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 153被引用数 3

ひとこと要約

本博士論文は、STEREOの二重視点観測を用いて、コロナル・マス・エジェクション（CME）を正確に追跡するための高度なマルチスケール画像処理および3次元再構成技術を開発した。CMEは初期に加速し、放射状でなく、角度幅が拡張し、空気力学的抵抗を受けることが明らかになった。これらは宇宙天気予測の向上に不可欠な知見である。

ABSTRACT

Solar coronal mass ejections (CMEs) are large-scale eruptions of plasma and magnetic field from the Sun into the corona and interplanetary space. They are the most significant drivers of adverse space weather at Earth and other locations in the heliosphere, so it is important to understand the physics governing their eruption and propagation. However the diffuse morphology and transient nature of CMEs makes them difficult to identify and track using traditional image processing techniques. In this thesis the implementation of multiscale image processing techniques to identify and track the CME front through coronagraph images is detailed. An ellipse characterisation of the CME front is used to determine the CME kinematics and morphology with increased precision as compared to techniques used in current CME catalogues, and efforts are underway to automate this procedure for applying to a large number of CME observations for future analysis. It was found that CMEs do not simply undergo constant acceleration, but rather tend to show a higher acceleration early in their propagation. The angular width of CMEs was also found to change as they propagate, normally increasing with height from the Sun. However these results were derived from plane-of-sky measurements with no correction for how the true CME geometry and direction affect the kinematics and morphology observed. With the advent of the unique dual perspectives of the STEREO spacecraft, the multiscale methods were extended to an elliptical tie-pointing technique in order reconstruct the front of a CME in three-dimensions. Applying this technique to the Earth-directed CME of 12 December 2008 allowed an accurate determination of its true kinematics and morphology, and the CME was found to undergo early acceleration, non-radial motion, angular width expansion, and aerodynamic drag in the solar wind as it propagated towards Earth.

研究の動機と目的

• 拡散的な形状と2次元コロナグラフ投影による従来のCME検出および追跡手法の限界を克服すること。
• マルチスケールフィルタリングと楕円ベースのフロント特徴化を適用することで、CMEの運動学的および形態的精度を向上させること。
• STEREOの二重視点から得られる楕円ティーポイントを用いて、CME構造の3次元再構成を可能とすること。
• 特に2008年12月12日イベントを対象として、地球に向かうCMEの真の3次元運動学的および形態的特性を特定すること。
• ノイズの多いデータ下で標準的な3点ラグランジュ補間法がCME速度および加速度を導出する際の信頼性を評価すること。

提案手法

• コロナグラフ画像における微弱なCME特徴を強調するために、マルチスケールフィルタリング（例：正規化径方向グレーディングフィルタ）の実装。
• CMEフロントの特徴化のための楕円フィッティングを用い、時間経過に伴う高さ、角度幅、位置の正確な測定を可能とすること。
• STEREO-AおよびSTEREO-Bの観測から得られる楕円ティーポイントを用いて、CMEフロント位置を三角測量法で特定し、3次元再構成を実施すること。
• 高さ-時間プロファイルからCME速度および加速度を導出するために、3点ラグランジュ補間法の採用。
• 運動学的不確実性推定の向上を目的として、逆問題技術（例：Kontar & MacKinnon, 2005）およびブートストラップ法などの代替手法の評価。
• 実際の観測誤差を想定したノイズを含むシミュレートデータを用いて、運動学的導出手法のロバストネスをテストすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチスケール画像処理技術は、コロナグラフ画像における微弱で拡散的なCMEの検出および追跡をどの程度向上させるか？
• RQ2 CMEはどの程度非定常な加速度を示し、それは伝播距離に応じてどのように変化するか？
• RQ3 CMEの角度幅は伝播中にどのように変化するか？ これはCMEの3次元幾何学的形状にどのような含意を持つか？
• RQ4 内太陽系における空気力学的抵抗は、地球に向かうCMEの運動学的特性にどのような役割を果たすか？
• RQ5 高さ測定の不確実性は、標準的な補間手法を用いた場合の導出されたCME運動学的特性の信頼性にどのように影響するか？

主な発見

• CMEは著しい初期加速を示しており、多くの現在のモデルで仮定されている定常加速度とは矛盾する。
• CMEの角度幅は高さに伴い増大し、太陽風中を伝播する過程での横方向の拡張を示している。
• 2008年12月12日CMEは非放射状運動と「パンシッキング（パンケーキ状）」と呼ばれる、磁気圧力および抵抗力による圧縮効果を示した。
• 内太陽系における空気力学的抵抗がCMEの減速に重要な要因であることが確認され、明確な減速プロファイルが観測された。
• 標準的な3点ラグランジュ補間法は、現実的なノイズレベル下で誤った運動学的傾向を生じさせ、類似したデータの散らばりから逆方向の加速度プロファイルが生じる可能性がある。
• 逆問題技術（例：Kontar & MacKinnon, 2005）は、統計的に妥当な不確実性を伴う運動学的プロファイルを導出するよりロバストな代替手法を提供する。