[논문 리뷰] Ionosphere-thermosphere global time response to geomagnetic storms

Denny M. Oliveira, E. Zesta외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 21.

Ionosphere and magnetosphere dynamics참고 문헌 20인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 2001년 5월부터 2011년 9월까지의 168개의 CME 유도 지구 자기폭풍에 대해 CHAMP 및 GRACE 위성 데이터를 이용한 초합성 시점 분석을 통해 전 세계 대기권 상층부 중성 밀도 반응을 분석한다. 결과적으로 폭풍 발생 후 약 1.5시간 이내에 고위도 지역에서 증가한 줄리 열에 의해 가열이 발생하며, 이는 최대 200% 증가하는 것으로 나타났다. 반면 적도권 지역의 가열은 약 3시간 지연되며 주로 이동 대기 고동(TAD)에 의해 주도되며, B_y 성분과 연관된 약간의 남북 대칭성 불균형이 관측된다.

ABSTRACT

In this study, we investigate thermospheric neutral mass density heating associated with 168 CME-driven geomagnetic storms in the period of May 2001 to September 2011. We use neutral density measured by two low-Earth orbit satellites: CHAMP and GRACE. For each storm, we superpose geomagnetic and density data for the time when the IMF B$_\mathrm{z}$ component turns sharply southward chosen as the zero epoch time. This indicates the storm main phase onset. We find that the average SYM-H index reaches the minimum of $-$42 nT near 12 hours after storm main phase onset. The Joule heating is enhanced by approximately 200\% in comparison to quiet values. In respect to thermosphere density, on average, high latitude regions (auroral zones and polar caps) of both hemispheres are highly heated in the first 1.5 hour of the storm. The equatorial response is presumably associated with direct equator-ward propagation of TADs (traveling atmospheric disturbances). A slight north-south asymmetry in thermosphere heating is found and is most likely due to a positive B$_\mathrm{y}$ component in the first hours of the storm main phase.

연구 동기 및 목표

• CME 유도 지구 자기폭풍에 따른 대기권 중성 질량 밀도의 전 세계적 시간 반응을 정량화하는 것.
• 폭풍 발생 이후 위도 영역(고위도, 중위도, 적도권)에 걸친 가열의 시간적·공간적 변화를 규명하는 것.
• 대기권 가열의 이중반구 비대칭성 원인을 자외선 방사선장(B_y 성분)과 연관지어 조사하는 것.
• 폭풍 반응에 대한 경험적 지연 시간을 제공함으로써 대기권 모델 성능을 향상시키는 것.

제안 방법

• 168개의 CME 유도 폭풍에 대해, 자외선 방사선장(B_z)의 남방 전환 시점을 0시점으로 삼아 초합성 시점 분석을 수행한다 (2001년 5월 ~ 2011년 9월).
• OMNIWeb 및 키요토 WDC에서 확보한 1분 해상도의 SYM-H 지수 및 IMF B_z 데이터를 활용해 폭풍 발생 시점과 줄리 열을 정의한다.
• CHAMP 및 GRACE 위성의 가속도계를 통해 대기권 중성 질량 밀도를 측정하고, JB2008 모델을 이용해 410 km 고도로 보간한다.
• 배경 및 태양 활동 영향을 제거하기 위해, 밀도 증가 요인을 log₁₀(ρ₄₁₀ / ρ_Q,JB410)로 계산한다.
• 계절 보정을 적용한 경험적 줄리 열 모델(Knipp 등, 2004)을 활용해 에너지 침착량을 추정한다.
• MLAT 영역별로 가열 및 냉각의 시간적·공간적 변화를 분석하여 TAD 전파 및 열역학 조절 효과를 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CME 유도 폭풍 발생 후 대기권 중성 질량 밀도의 전 세계적 시간적 변화는 어떻게 진행되는가?
• RQ2 고위도, 중위도, 적도권 지역은 폭풍 에너지 침착에 얼마나 빨리 반응하는가?
• RQ3 특히 남반구에서 관측된 대기권 가열의 이중반구 비대칭성은 무엇에 기인하는가?
• RQ4 이동 대기 고동(TAD)은 적도권 밀도 변동을 어느 정도 설명할 수 있는가?
• RQ5 왜 고위도 지역은 중위도 및 저위도 지역보다 냉각이 더 오래 걸리는가?

주요 결과

• SYM-H 지수는 폭풍 주요 단계 발생 후 약 12시간 만에 최소값 -42 nT에 도달한다.
• 폭풍 발생 후 줄리 열은 고요 상태 대비 약 200% 증가하여 30 GW에서 125 GW로 증가한다.
• 고위도 지역(오로라 지역 및 극권)은 폭풍 발생 후 약 1.5시간 이내에 첫 번째로 뚜렷한 가열을 보인다.
• 적도권 대기권 가열은 고위도에서 유도된 TAD 전파에 따라 약 3시간 후에 시작되며, 이는 일관된 패tern을 보인다.
• 중위도 지역은 폭풍 발생 후 약 6시간 만에 가열에서 회복되기 시작하며, 이는 적도권 회복보다 앞서는 경향이 있다.
• 가열에 약간의 남북 비대칭성이 관측되며, 이는 폭풍 주요 단계 초기에 양의 IMF B_y 성분이 존재했기 때문일 것으로 추정된다.