[논문 리뷰] A Space Weather Information Service Based Upon Remote and In-Situ Measurements of Coronal Mass Ejections Heading for Earth

Birgit Ritter, Arjan J. H. Meskers외 9명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 01.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 38인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 0.72 AU에서 6개의 탐사선 미션을 제안하여, 지구 방향으로 이동하는 코로나 질량 방출(CME)의 현장 측정과 원거리 측정을 융합함으로써 공간 wea의 예측 정확도를 향상시키고자 한다. 로제타, 베너스 프로플렉스, 스테레오의 유산 기기를 활용하여 실시간 3차원 CME 추적을 가능하게 하며, 예측의 사전 시간을 연장하고 다중 지점 현장 데이터 및 코로나그래프 관측을 통해 모델링을 향상시킨다.

ABSTRACT

The Earth’s magnetosphere is formed as a consequence of interaction between the planet’s magnetic field and the solar wind, a continuous plasma stream from the Sun. A number of different solar wind phenomena have been studied over the past 40 years with the intention of understanding and forecasting solar behavior. One of these phenomena in particular, Earth-bound interplanetary coronal mass ejections (CMEs), can significantly disturb the Earth’s magnetosphere for a short time and cause geomagnetic storms. This publication presents a mission concept consisting of six spacecraft that are equally spaced in a heliocentric orbit at 0.72 AU. These spacecraft will monitor the plasma properties, the magnetic field’s orientation and magnitude, and the 3D-propagation trajectory of CMEs heading for Earth. The primary objective of this mission is to increase space weather forecasting time by means of a near real-time information service, that is based upon in-situ and remote measurements of the aforementioned CME properties. The obtained data can additionally be used for updating scientific models. This update is the mission’s secondary objective. In-situ measurements are performed using a Solar Wind Analyzer instrumentation package and fluxgate magnetometers, while for remote measurements coronagraphs are employed. The proposed instruments originate from other space missions with the intention to reduce mission costs and to streamline the mission design process. Communication with the six identical spacecraft is realized via a deep space network consisting of six ground stations. They provide an information service that is in uninterrupted contact with the spacecraft, allowing for continuous space weather monitoring. A dedicated data processing center will handle all the data, and then forward the processed data to the SSA Space Weather Coordination Center which will, in turn, inform the general public through a space weather forecast. The data processing center will additionally archive the data for the scientific community. The proposed concept mission allows for major advances in space weather forecasting time and the scientific modeling of space weather.

연구 동기 및 목표

• 현장 측정과 원거리 측정을 통한 지구 방향 CME 모니터링을 통해 공간 날씨 예측의 사전 시간을 연장하기 위해.
• 여러 개의 탐사선을 0.72 AU에 배치하여 다중 지점 샘플링을 통해 CME의 3차원 재구성 향상시키기 위해.
• CME의 구조와 전파 특성에 대한 고정밀 현장 및 원거리 데이터를 제공함으로써 과학적 모델링 지원하기 위해.
• 미래의 탑승 인도적 행성 간 임무를 위한 360도 경고 기능 구현하기 위해.
• 다중 지점 현장 측정을 통해 베너스의 자기장 연구를 위해 유성 보조 비행을 활용하기 위해.

제안 방법

• 6개의 동일한 탐사선을 0.72 AU의 태양 중심 궤도에 배치하여, 균일하게 분포시켜 CME의 3차원 추적을 가능하게 한다.
• 현장 측정은 태양풍 분석기(스피아로비터에서 유래)와 플럭스 게이트 자석계(베너스 프로플렉스에서 유래)를 사용한다.
• 원거리 측정은 코로나그래프(스테레오에서 유래)를 사용하여 내 태양계에서 CME를 이미징한다.
• 데이터는 15m 지름 안테나를 갖춘 6개의 지상국으로 구성된 전용 태양계 깊은 우주 통신망을 통해 전송되어 지속적인 연락을 확보한다.
• 중앙 데이터 처리 센터에서 데이터를 수신, 처리 및 압축하고, 이를 SSA 공간 날씨 조율 센터로 전달하여 대중 예측 서비스에 활용한다.
• 이 시스템은 다른 동시 진행 중인 임무의 데이터와 통합되어 태양 물리학 이해 및 모델 검증을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 지점 현장 측정은 태양계 내 코로나 질량 방출(ICME)의 3차원 재구성에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 현장 측정과 원거리 감지 기술을 융합하여 0.72 AU에서 CME를 모니터링할 경우, 예측 사전 시간을 얼마나 연장할 수 있는가?
• RQ3 CME가 내 태양계를 통과하면서 자기장 및 플라즈마 성질은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 과거 임무에서 유래한 기기를 활용할 경우, 미션 비용 절감과 설계 가속화에 얼마나 기여할 수 있는가?
• RQ5 베너스 근처 유성 보조 비행을 통해 다중 지점 현장 측정을 통해 행성의 자기 환경를 측정할 수 있는가?

주요 결과

• 이 미션 개념은 최소 60도의 각도 범위를 갖는 CME를 실시간으로 모니터링할 수 있게 하여, 예측 사전 시간을 크게 연장한다.
• CME의 궤도를 여러 지점에서 샘플링함으로써 플럭스 로프 기하학적 특성에 대한 3차원 제약 조건을 제공하여 전반적인 CME 구조에 대한 불확실성을 감소시킨다.
• 로제타, 베너스 프로플렉스, 스테레오의 기존 기기를 활용함으로써 미션 비용 절감과 설계 간소화가 가능하며, 신규 기기 개발이 필요 없다.
• 6개의 지상국으로 구성된 태양계 깊은 우주 통신망은 끊김 없는 통신과 지속적인 데이터 흐름을 보장하여 실시간 공간 날씨 서비스를 가능하게 한다.
• 이 미션은 360도 경고 시스템을 지원하여 향후 행성 간 임무에서 우주비행사 보호를 위한 핵심 데이터를 제공한다.
• 베너스의 유성 보조 비행을 통해 행성의 자기장에 대한 현장 측정이 가능하며, 이는 그의 자기권 환경을 연구할 수 있는 고유한 기회를 제공한다.