[論文レビュー] The Relationship Between the Expansion Speed and Radial Speed of CMEs Confirmed Using Quadrature Observations of the 2011 February 15 CME

N. Gopalswamy, P. Mäkelä+2 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2012

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、2011年2月15日のCMEに対して、STEREOとSOHOの四分位観測を用いて、コロナル・マス・エジェクション（CME）の膨張速度（Vexp）と径方向速度（Vrad）の経験的関係を確認した。STEREO-BからのCME半幅（w = 38°）を測定することで、導出されたVrad = 1.14 × Vexpは、径方向速度1023 km/sを示し、これはSTERO-Aの直接測定値945 km/sおよびSTEREO-Bの1058 km/sとよく一致しており、3.4–7.6%の誤差で幾何学的モデルの妥当性が裏付けられた。

ABSTRACT

It is difficult to measure the true speed of Earth-directed CMEs from a coronagraph located along the Sun-Earth line because of the occulting disk. However, the expansion speed (the speed with which the CME appears to spread in the sky plane) can be measured by such a coronagraph. In order to convert the expansion speed to radial speed (which is important for space weather applications) one can use an empirical relationship between the two that assumes an average width for all CMEs. If we have the width information from quadrature observations, we can confirm the relationship between expansion and radial speeds derived by Gopalswamy et al. (2009a). The STEREO spacecraft were in qudrature with SOHO (STEREO-A ahead of Earth by 87o and STEREO-B 94o behind Earth) on 2011 February 15, when a fast Earth-directed CME occurred. The CME was observed as a halo by the Large-Angle and Spectrometric Coronagraph (LASCO) on board SOHO. The sky-plane speed was measured by SOHO/LASCO as the expansion speed, while the radial speed was measured by STEREO-A and STEREO-B. In addition, STEREO-A and STEREO-B images provided the width of the CME, which is unknown from Earth view. From the SOHO and STEREO measurements, we confirm the relationship between the expansion speed (Vexp) and radial speed (Vrad) derived previously from geometrical considerations (Gopalswamy et al. 2009a): Vrad = 1/2 (1 + cot w)Vexp, where w is the half width of the CME. STEREO-B images of the CME, we found that CME had a full width of 76o, so w = 38o. This gives the relation as Vrad = 1.14 Vexp. From LASCO observations, we measured Vexp = 897 km/s, so we get the radial speed as 1023 km/s. Direct measurement of radial speed yields 945 km/s (STEREO-A) and 1058 km/s (STEREO-B). These numbers are different only by 7.6% and 3.4% (for STEREO-A and STEREO-B, respectively) from the computed value.

研究の動機と目的

• 幾何的考察から導かれたCMEの膨張速度と径方向速度の経験的関係の妥当性を検証すること。
• 幅に依存する式を用いて、膨張速度から径方向速度を正確に推定できるかどうかを検証すること。
• 単一地点からの地球基準観測によるCME速度推定の不確実性を低減し、宇宙天気予測を改善すること。
• STEREOとSOHOの四分位幾何学的配置を活用し、CMEの幅と径方向速度を独立して測定すること。

提案手法

• 地球からの視点でCMEのスカイプレーン膨張速度（Vexp）をSOHO/LASCOコロナグラフで測定した。
• ステレオスコピック画像を用いて、STEREO-AおよびSTEREO-BがCMEの径方向速度（Vrad）を直接測定した。
• STEREO-Bの画像からCMEの全幅を測定し、半幅（w）を38°として特定した。
• 幾何学的公式 Vrad = ½(1 + cot w)Vexp を適用し、Vexpから予測されたVradに変換した。
• 予測されたVradとSTEREO-AおよびSTEREO-Bによる直接測定値を比較し、精度を評価した。
• 四分位幾何学的配置（STEREO-Aが87°先行、STEREO-Bが94°遅延）を用いて、独立的かつ補完的な観測を確保した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 経験的関係 Vrad = ½(1 + cot w)Vexp は、地球を向いたCMEの径方向速度を正確に予測できるか？
• RQ2 四分位観測から導かれるCMEの半幅（w）は、膨張速度からの径方向速度推定を改善できるか？
• RQ3 幾何学的モデルを用いた予測された径方向速度は、直接的なステレオスコピック測定とどの程度一致するか？
• RQ4 幅に依存する式は、宇宙天気予測におけるCME速度予測の不確実性をどの程度低減できるか？

主な発見

• STEREO-Bの画像から測定されたCMEの半幅（w）は38°であり、Vrad = 1.14 × Vexp 関係における幅係数は1.14であった。
• SOHO/LASCOが測定した膨張速度（Vexp）は897 km/sであり、予測された径方向速度は1023 km/sであった。
• STEREO-AおよびSTEREO-Bによる直接測定径方向速度は、それぞれ945 km/sおよび1058 km/sであり、予測値からのずれは7.6%および3.4%であった。
• 3.4–7.6%の範囲での一致は、径方向速度推定における幾何学的モデルの妥当性を確認した。
• 本研究は、四分位観測が、膨張速度からのCME径方向速度予測の精度を顕著に向上させることを示した。
• 結果は、Vrad = ½(1 + cot w)Vexp 公式が宇宙天気予測の信頼できるツールであることを支持する。