[논문 리뷰] Quasi-planar ICME sheath: a cause of first two-step extreme geomagnetic storm of 25th solar cycle observed on 23 April 2023

Kalpesh Ghag, Anil Raghav외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 06.

Solar and Space Plasma Dynamics인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 2023년 4월 23일 태양활동 25호기의 첫 번째 이중단계 극심지구자기폭풍을 유발한 핵심 요인으로, 상층부 간섭성 코로나질량방출(ICME)의 층내에서 발생한 준평면자기구조(PMS)를 특정하였다. 이 폭풍은 Sym-H ≈ −231 nT에 도달하였다. 준-PMS 내에서의 덜 단열적 팽창이 태양풍의 남방성 성분을 증가시켜 지구 자기권으로의 에너지 및 플라즈마 이행을 효율적으로 가능하게 하였으며, 이로 인해 자기권 경계면이 6.6 RE 이하로 압축되었고, 지구정궤도 위성에 영향을 미쳤다.

ABSTRACT

Interplanetary Coronal Mass Ejections (ICMEs) are prominent drivers of space weather disturbances and mainly lead to intense or extreme geomagnetic storms. The reported studies suggested that the planar ICME sheath and planar magnetic clouds (MCs) cause extreme storms. Here, we investigated the severe two-step geomagnetic storm ($Dst \sim -187$ nT) of 25$^{th}$ solar cycle. Our analysis demonstrates flattened (pancaked) ICME structures, i.e., quasi-planar magnetic structures (PMS). The study corroborates our earlier reported finding that the less adiabatic expansion in quasi-PMS transformed ICME enhanced the strength of the southward magnetic field component. It contributes to the efficient transfer of plasma and energy in the Earth's magnetosphere to cause the observed severe storm.

연구 동기 및 목표

• 2023년 4월 23일 관측된 태양활동 25호기의 첫 번째 이중단계 극심지구자기폭풍의 물리적 메커니즘을 조사하는 것.
• 특히 자기장 구조와 플라즈마 역학을 중심으로, ICME 층이 극심한 폭풍 조건을 유도하는 데서 수행하는 역할을 규명하는 것.
• 층 내에서 발생한 준평면자기구조(PMS)가 상호연결된 자기장(IMF)의 남방성 성분을 어떻게 증가시키는지 조사하는 것.
• 감소된 자기권 경계면 정지거리(<6.6 RE)가 지구정궤도 위성 운영에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 준-PMS 내에서의 덜 단열적 팽창이 자기권으로의 에너지 및 플라즈마 이행을 강화시킨다는 가설을 검증하는 것.

제안 방법

• ICME 층과 그 자기장 구조를 특정하기 위해 다수의 태양풍 및 자기장 데이터를 현장에서 분석하는 것.
• 자기장 기하학 및 PMS 탐지 기법을 적용하여 층 영역 내 준평면 구성 요소를 식별하는 것.
• 준-PMS 내에서의 남방성 IMF 성분(Bz)을 정량적으로 평가하여, 고리전류 강화에 기여하는 역할을 평가하는 것.
• 태양풍의 동적압력과 자기압력 균형 모델을 사용하여 자기권 경계면 정지거리를 추정하는 것.
• 관측된 Sym-H 지수 최소값(≈−231 nT)을 남방성 IMF 및 PMS 구조의 지속 시간과 강도와 연관시키는 것.
• 고리전류 역학 및 폭풍 회복 모델을 활용하여 폭풍의 진화를 해석하는 것.

Figure 1: Top panel (a) SDO/AIA 171 Åfilter image of source active region of CME-1 on 01 Nov 2021 18:38 UT, and zoom snap of AR 13283. (b)zoomed snap of the EUV AIA 304 Åimages showing the flux rope eruption.(c) GOES X-ray plot for solar flare occurred on April 21, 2023, 17:44 UT. In the plot, the r

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2023년 4월 23일 극심지구자기폭풍을 유발한 ICME 층 내의 구조적 특징는 무엇인가요?
• RQ2 층 내에서 준평면자기구조(PMS)가 형성될 경우, 남방성 IMF 성분은 어떻게 증가하는가요?
• RQ3 준-PMS 영역에서의 감소된 단열 팽창은 지구 자기권으로의 에너지 이행을 어떻게 증폭시키는가요?
• RQ4 ICME 영향으로 인해 자기권 경계면은 어느 정도 압축되었으며, 그로 인한 정지거리는 얼마였나요?
• RQ5 폭풍의 이중단계 진화는 층과 PMS 구조의 시간적 변화와 어떻게 연관되어 있었나요?

주요 결과

• 태양활동 25호기의 첫 번째 이중단계 극심지구자기폭풍은 2023년 4월 23일 발생하였으며, 최소 Sym-H 지수는 약 −231 nT에 도달하였다.
• 폭풍은 ICME 층 내에서 형성된 준평면자기구조(PMS)에 의해 유도되었으며, 이 PMS는 표준 PMS 모델에 비해 덜 단열적 팽창을 보였다.
• 이 덜 단열적 팽창이 상호연결된 자기장(IMF)의 남방성 성분(Bz)을 강화시켜 태양풍 에너지가 자기권으로 지속적이고 효율적으로 이행되도록 하였다.
• 자기권 경계면 정지거리는 6.6 지구반지름(RE) 이하로 압축되었으며, 이는 약 6 RE에서 운영되는 지구정궤도 위성에 중대한 영향을 미쳤다.
• 폭풍의 이중단계 특성은 층과 PMS의 시간적 진화와 연관되어 있었으며, Bz 강도 증가 및 지속적인 남방성 방향이 두 단계로 나타났다.
• 연구 결과는 준-PMS 구조가 에너지 이행 효율성을 향상시켜 ICME 층 내에서 극심지구자기폭풍을 유발하는 데 핵심적인 역할을 한다는 가설을 지지한다.

Figure 2: Top six panels show interplanetary parameters during ICME passage from 23-24 April 2023. The topmost panel display total interplanetary field strength ( $B_{mag}$ ). The 2nd panel from the top shows variation in magnetic field components( $B_{x}$ , $B_{y}$ , $B_{z}$ ). The third panel demo