[論文レビュー] Tracking solar wind flows from rapidly varying viewpoints by the Wide-field Imager for Parker Solar Probe

A. Nindos, S. Patsourakos+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2020

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 62被引用数 13

ひとこと要約

本論文では、パーカー太陽探査機のワイドフィールドイメージャー（WISPR）から得られる急速に変化する視点を用いて、コロナルーム・マス・エジェクション（CMEs）やストリーマーブロブといった一時的太陽風流れを追跡するための新規手法を提示する。第4飛行 Encounter 時の WISPR データから J-マップ、R-マップ、Lat-マップを構築することで、1日あたり4〜5個のストリーマーブロブを同定し、角速度が 2.28–2.49°/時間、径方向速度が 150–300 km/s であることを明らかにした。STEREO-A データと照合することで手法の妥当性を検証し、ストリーマーの二重化構造を明らかにした。

ABSTRACT

Aims. Our goal is to develop methodologies to seamlessly track transient solar wind flows viewed by coronagraphs or heliospheric imagers from rapidly varying viewpoints. Methods. We constructed maps of intensity versus time and elongation (J-maps) from Parker Solar Probe (PSP) Wide-field Imager (WISPR) observations during the fourth encounter of PSP. From the J-map, we built an intensity on impact-radius-on-Thomson-surface map (R-map). Finally, we constructed a latitudinal intensity versus time map (Lat-map). Our methodology satisfactorily addresses the challenges associated with the construction of such maps from data taken from rapidly varying viewpoint observations. Results. Our WISPR J-map exhibits several tracks, corresponding to transient solar wind flows ranging from a coronal mass ejection down to streamer blobs. The latter occurrence rate is about 4–5 per day, which is similar to the occurrence rate in a J-map made from ~1 AU data obtained with the Heliospheric Imager-1 (HI-1) on board the Solar Terrestrial Relations Observatory Ahead spacecraft (STEREO-A). STEREO-A was radially aligned with PSP during the study period. The WISPR J-map tracks correspond to angular speeds of 2.28 ± 0.7°/h (2.49 ± 0.95°/h), for linear (quadratic) time-elongation fittings, and radial speeds of about 150–300 km s−1. The analysis of the Lat-map reveals a bifurcating streamer, which implies that PSP was flying through a slightly folded streamer during perihelion. Conclusions. We developed a framework to systematically capture and characterize transient solar wind flows from space platforms with rapidly varying vantage points. The methodology can be applied to PSP WISPR observations as well as to upcoming observations from instruments on board the Solar Orbiter mission.

研究の動機と目的

• パーカー太陽探査機のような、急速に変化する視点を持つ宇宙プラットフォームからの一時的太陽風流れを分析するための堅牢なフレームワークの構築を目的とする。
• 宇宙船の軌道運動に伴い視線（LoS）が急速に変化する場合のコロナおよびハリオスフィア画像の解釈の課題に対処することを目的とする。
• WISPR 観測から導出された強度マップを用いて、CME やストリーマーブロブを含む一時的太陽風構造を体系的に特徴付けることを目的とする。
• 準径方向配置時における STEREO-A データと照合することで、手法の妥当性と信頼性を保証することを目的とする。
• 時間距離マッピング技術（J-マップ、R-マップ、Lat-マップ）の適用範囲を、イン・サイトでの太陽コロナ観測に拡張し、将来の Solar Orbiter 任務に備えることを目的とする。

提案手法

• パーカー太陽探査機の WISPR 観測データから J-マップを構築し、強度を時間と延長角の関数としてプロットすることで、太陽から離れる角度距離に沿った一時的流れの軌跡を可視化する。
• J-マップをテイラー表面に投影することで R-マップに変換し、強度を到達半径と時間の関数としてマップ化する。
• 強度を宇宙船の軌道面に沿って統合することで Lat-マップを生成し、緯度依存の強度変化を捉えてストリーマー構造とその進化を研究する。
• 時間-延長角軌跡に線形および2次曲線フィットを適用し、一時的流れの角速度および径方向速度を導出する。
• 画像シーケンスの視覚的点検と生の J-マップとの比較により、特徴の整合性を確認し、手法の妥当性を検証する。
• 重複観測期間中の STEREO-A HI-1 J-マップと照合することで、軌跡の出現頻度と運動学的整合性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パーカー太陽探査機のような急速に変化する視点から、時間距離マップ（J-マップ）を信頼性高く構築する方法は何か？
• RQ2 WISPR 観測におけるストリーマーブロブの出現頻度は何か？ また、1 AU での STEREO-A 観測と比較するとどうなるか？
• RQ3 WISPR J-マップにおける一時的太陽風流れから導出可能な運動学的特性（角速度および径方向速度）は何か？
• RQ4 Lat-マップにおける強度変化は、PSP飛行時のストリーマーの3次元的構造と進化をどのように明らかにするか？
• RQ5 WISPR 観測における短い視線は、1 AU の機器と比較して、検出可能な一時的特徴をより多く、または少なくもたらすか？

主な発見

• WISPR J-マップは、1日あたり4〜5個の一時的太陽風流れ（ストリーマーブロブを含む）を示しており、STEREO-A HI-1 を用いた1 AU 観測で観測された出現頻度と整合的である。
• 検出された流れの角速度は、線形フィットで 2.28 ± 0.7°/時間、2次曲線フィットで 2.49 ± 0.95°/時間の範囲にあり、これに対応する径方向速度は 150–300 km/s である。
• R-マップ解析により、径方向速度が 150–300 km/s であることが確認され、以前の遅い太陽風ブロブおよび CME の測定値と整合的である。
• Lat-マップは、二重化ストリーマーの証拠を示しており、PSP が近日点通過時にわずかに折りたたまれたストリーマー構造を通過していたことを示唆している。
• WISPR の短い視線にもかかわらず、1日あたりの検出可能な軌跡数（4–5個）は、STEREO-A HI-1 データと同等である。これは、ブロブ生成の物理的整合性、あるいは視線幾何学と構造の重なりの複雑な相互作用の両方が関与している可能性を示唆している。
• この手法は、急速に変化する視点に起因する課題を効果的に緩和し、微弱な特徴、特に一部の流れ軌跡内の部分構造（埋め込まれた密度構造を示す可能性がある）の明確な同定を可能にした。