[論文レビュー] What Are Special About Ground-Level Events? Flares, CMEs, Active Regions And Magnetic Field Connection

N. Nitta, Y. Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2012

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 32

ひとこと要約

本研究は、地上レベルイベント（GLEs）— すなわち極端な太陽高エネルギー粒子イベント — に関連する太陽イベントの特徴を、CME、フレア、活動区域（AR）、磁場接続性の観点から分析することで、GLEsの独自性を調査している。強力なフレアや高速CMEを伴っても、CME速度、フレアの規模、ARの複雑さといった単一の観測量ではGLEsを信頼性高く予測できない。代わりに、特にCMEの縁端部における衝撃波形成のタイミングと場所がより重要である可能性があり、STEREOおよびSDOのデータが将来的なイベントの診断を向上させると考えられる。

ABSTRACT

Ground level events (GLEs) occupy the high-energy end of gradual solar energetic particle (SEP) events. They are associated with coronal mass ejections (CMEs) and solar flares, but we still do not clearly understand the special conditions that produce these rare events. During Solar Cycle 23, a total of 16 GLEs were registered, using ground-based neutron monitor data. We first ask if these GLEs are clearly distinguishable from other SEP events observed from space. Setting aside possible difficulties in identifying all GLEs consistently, we then try to find observables which may unmistakably isolate these GLEs by studying the basic properties of the associated eruptions and the active regions (ARs) that produced them. It is found that neither the magnitudes of the CMEs and flares nor the complexities of the ARs give sufficient conditions for GLEs. It is possible to find CMEs, flares or ARs that are not associated with GLEs but that have more extreme properties than those associated with GLEs. We also try to evaluate the importance of magnetic field connection of the AR with Earth on the detection of GLEs and their onset times. Using the potential field source surface (PFSS) model, a half of the GLEs are found to be well-connected. However, the GLE onset time with respect to the onset of the associated flare and CME does not strongly depend on how well-connected the AR is. The GLE onset behavior may be largely determined by when and where the CME-driven shock develops. We could not relate the shocks responsible for the onsets of past GLEs with features in solar images, but the combined data from the Solar TErrestrial RElations Observatory (STEREO) and the Solar Dynamics Observatory (SDO) have the potential to change this for GLEs that may occur in the rising phase of Solar Cycle 24.

研究の動機と目的

• GLEsが関連するCME、フレア、活動領域（AR）の性質に基づいて、他の段階的太陽高エネルギー粒子（SEP）イベントと区別可能かどうかを明らかにすること。
• CME、フレア、ARの複雑さの極端な大きさがGLE生成に必要または十分かどうかを評価すること。
• ARと地球間の磁場接続性がGLE発生タイミングと検出性に与える影響を評価すること。
• 多地点観測（STEREO、SDO）が、将来的なGLEsにおける衝撃波発達および粒子加速メカニズムの解明にどのように寄与できるかを検討すること。

提案手法

• 地上のニュートロンモニタデータを用いて、太陽活動極小期23中に発生した16件のGLEsを特定した。
• CDAWデータセンターのカタログおよびSOHO/SDOの観測データを用いて、関連するCMEおよびフレアを分析した。
• ARと地球間の磁場接続性を評価するために、ポテンシャル場ソースサーフェス（PFSS）モデルを適用した。
• 高時間分解能のAIA（SDO）およびコログラフ（STEREO）データを比較し、大規模な擾乱、EIT波、タイプIIバーストを調査した。
• フレアに伴うコロナ質量放出とSEP組成との関係を、AIAの温度感受性チャンネルを用いて評価した。
• ダイナミックラジオスペクトルおよび画像を用いてCME駆動衝撃波の特徴を特定し、衝撃形成タイミングとGLE発生タイミングを相関させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GLEsは、関連するCMEやフレアの大きさによって一意に識別可能か？
• RQ2 強い磁場を有する複雑な活動領域（AR）は、一貫してGLEsを生成するのか？
• RQ3 ARと地球間の磁場接続性は、GLE発生時刻と検出性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 CME駆動衝撃波、特に縁端部での形成がGLE発生と関連しているとされるが、その関連性はどのように特定可能か？また、現代の多地点太陽観測装置を用いてどのように観測できるか？
• RQ5 大規模な擾乱（例：EIT波、タイプIIバースト）は、GLE生成とどの程度相関しているか？

主な発見

• CME速度、フレアの規模、ARの複雑さといった単一の観測量では、GLEsを十分に予測できない。これは、GLEを伴わないがより極端なイベントが多数存在するためである。
• 使用したGLEsの約半数しか、ポテンシャル場ソースサーフェス（PFSS）モデルによる地球への磁場接続性を満たしておらず、磁場接続性がGLEsに必須または十分でないことが示された。
• GLE発生時刻とARの磁場接続性との相関は強くなく、発生タイミングは源の位置よりも衝撃波発達のタイミングに依存している可能性が高い。
• GLE発生は、特に準垂直な衝撃波幾何学的配置が粒子加速を強化する可能性があるCME縁端部でのCME駆動衝撃波形成のタイミングと場所に支配されていると考えられる。
• 高時間分解能のAIAおよびSTEREO観測データは、衝撃波発達および大規模な擾乱を解明する可能性を示しており、従来の低時間分解能（例：EITでは12分）では検出できなかった事象の解明が可能である。
• 一部のGLEsと関連してタイプIIバーストおよび大規模な擾乱（おそらく高速コロナ波）が観測されたが、それらが粒子加速に直接関与しているかどうかはまだ推測にとどまり、さらなる高時間分解能分析が求められる。