[논문 리뷰] Relations between variability of the photospheric and interplanetary magnetic fields, solar wind and geomagnetic characteristics

E. Gavryuseva|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 09.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 10인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 1976–2004년 기간 동안 WSO 및 OMNI 데이터를 사용하여 태양 위성에서의 광구 자기장 변동성과 행성간 및 지구 자기장 매개변수 간의 직접적 비교를 수행하여, 태양풍과 지구 자기장 반응에 대해 두 가지 별개의 군집을 규명하였다: 하나는 행성간 자기장(IMF) 및 태양풍 매개변수에 의해 주도되고, 다른 하나는 IMF의 Bz 성분과 관련된 지구 자기장 지표와 연결되어 있다. 주요 발견은 태양 자기장의 위도별 구조가 태양계 및 지구 자기장 변동성에서 두 가지 별개의 반응 경로를 지배하며, 이는 이론적 모델이나 가정에 의존하지 않는다는 것이다.

ABSTRACT

Large scale solar magnetic field topology has a great influence on the structure of the corona, heliosphera and geomagnetic perturbations. Data obtained over the last three solar cycles have been analysed to reveal the relationships between the photospheric field measured along the line of sight by the WSO group at 30 levels of heliolatitudes from -75 to 75 degrees and the interplanetary magnetic field The main aim of this first paper is to make a direct comparison between the basic structure and dynamics of the photospheric magnetic field and components and intensity of the interplanetary magnetic field % solar wind and geomagnetic parameters without using theoretical assumptions, models, physical expectations, etc. The second paper by Gavryuseva, 2018d presents the raports between different characteristics of the solar wind at the Earth orbit, and geomagnetic parameters provided by the OMNI team. % Data obtained over the last three solar cycles have been analysed % to reveal the relationships % between the photospheric field measured along the line of sight % by the WSO group % at heliolatitudes from -75 to 75 degrees averaged over one year % and the interplanetary magnetic field, different characteristics % of the solar wind at the Earth orbit, and geomagnetic parameters. % provided by the OMNI team. The heliospheric and geomagnetic data are found to be divided into two groups characterized by their response to variability of the solar magnetic field latitudinal structures on short and on long time scales.

연구 동기 및 목표

• 광구 자기장(SMF) 변동성과 행성간/지구 자기장 매개변수 간에 직접적이고 모델에 의존하지 않는 관계를 수립하기 위해.
• 광구 자기장의 위도 구조가 장기 및 단기 시간스케일에서 태양풍 및 지구 자기장 반응에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 광구 및 행성간 자기장의 서로 다른 성분에 대한 민감도에 따라 태양풍 및 지구 자기장 지표에서 나타나는 별개의 반응 패tern을 식별하기 위해.
• SMF 변동성과 그에 따른 행성간 및 지구 자기장 매개변수에 대한 최적의 시간 지연을 규명하기 위해.
• 이론적 가정 없이 경험적 상관관계 분석을 통해 태양-지구 연계의 물리적 기반을 드러내기 위해.

제안 방법

• 30개 위도(−75°에서 75°까지)에서 선형 방향 광구 자기장(SMF)을 매일 측정한 Wilcox Solar Observatory(WSO) 데이터를 사용하였다.
• 1년 및 4년 평균 이동 평균을 적용하여 장기(SMF, SW) 및 단기(FMF, FSW) 변동성 성분을 분리하였다.
• 1년 평균과 4년 평균의 차이를 계산하여 잔차(FMF, FSW)를 산출함으로써 단기 변동성을 고립하였다.
• 다양한 위도에서의 FMF와 FSW 매개변수(B, Vp, Np, AE, DST 등) 간의 교차상관계 계수(K_cor)를 최적의 시간 지연를 고려하여 계산하였다.
• 상관관계 계수의 위도 의존성을 분석하여 행성간 및 지구 자기장 반응에 가장 영향을 미치는 태양 자기장 영역을 규명하였다.
• OMNI 데이터베이스를 활용하여 행성간 자기장(B, Bx, By, Bz), 태양풍 속도(Vp), 양성자 밀도(Np), 압력(P), 온도(Tp), 지구 자기장 지표(AE, Kp, DST)를 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광구 자기장의 위도 구조는 행성간 자기장 및 태양풍 매개변수의 변동성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 광구 자기장 변동성과 그에 따른 행성간 및 지구 자기장 매개변수에 대한 시간 지연는 무엇인가?
• RQ3 다른 위도 영역에서 광구 자기장 변동성에 대해 공명적으로 반응하는 태양풍 및 지구 자기장 매개변수들은 무엇인가?
• RQ4 광구 자기장 역학에 대해 유사하게 반응하는 행성간 및 지구 자기장 매개변수의 별개의 군집이 존재하는가?
• RQ5 지구 자기장 지표(AE, Kp, DST)의 반응은 IMF의 Bz 및 By 성분과 그 위도 기반 원천과 어떻게 상관관계를 맺는가?

주요 결과

• 광구 자기장 변동성과의 상관관계를 바탕으로 태양풍 및 지구 자기장 매개변수에 대해 두 가지 별개의 군집을 규명하였다: 하나는 IMF 크기(B) 및 태양풍 매개변수(P, Np, Vp)에 의해 지배되고, 다른 하나는 Bz 및 By 성분에 의해 지배된다.
• 광구 자기장 변동성과 IMF B 성분 간의 상관관계는 강한 위도 의존성을 보였으며, ±25° 및 ±55° 위도에서 최고치를 보였으며, 이는 이 영역이 태양계 자기장 변동성의 주요 기원임을 시사한다.
• 오로라 전류 밀도 활동을 반영하는 AE 지표는 IMF의 B 및 P 성분과 비슷한 반응을 보였으며, 이는 저위도 광구 자기장에서 기인하는 공통된 원인이 있음을 시사한다.
• 지구 자기장 지표인 Kp는 특별한 반응 패턴을 보였으며, IMF의 Bz 및 By 성분과 강하게 상관관계를 보였으며, 이는 고위도(±55°) 자기장 구조가 지구 자기폭풍을 주도하는 데 핵심적인 역할을 한다는 것을 시사한다.
• 지구 자기장 고리 전류 강도를 반영하는 DST 지표는 Kp 및 Bx와 반대 방향으로 상관관계를 보였으며, 특히 ±55° 이하 위도에서 기인하는 Bz 및 By 변동성에 높은 민감도를 보였다.
• ±55° 위도에서의 광구 자기장 단기 변동성(FMF)이 태양풍 및 지구 자기장의 단기 변동성과 가장 높은 상관관계를 보였으며, 이는 이 위도가 일시적 태양풍 불안정성의 주요 기원임을 시사한다.