[논문 리뷰] Study of the propagation, in situ signatures, and geoeffectiveness of shear-induced coronal mass ejections in different solar winds

Dana-Camelia Talpeanu, Stefaan Poedts외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 29.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 56인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 2.5D MHD 시뮬레이션을 사용하여 다양한 태양-wind 조건 하에서 전단력에 의해 유도된 코로나 질량 방출(CME)이 1 AU까지 전파되는 과정을 모델링하고, 그들의 현장 내 서너 및 지구 영향 가능성(geoeffectiveness)을 분석한다. 연구 결과, CME 뒤이어 형성되는 플라즈마 블롭은 특정 초기 자기장 구성과 관련이 있으며, 간행된 자기장의 Bz 성분이 양일 경우 지구 영향 가능성은 크게 감소함을 확인하여, 자기장 재결합이 공간 weater 영향을 조절하는 데서 중요한 역할을 한다는 점을 강조한다.

ABSTRACT

Aims: Our goal is to propagate multiple eruptions - obtained through numerical simulations performed in a previous study - to 1 AU and to analyse the effects of different background solar winds on their dynamics and structure at Earth. We also aim to improve the understanding of why some consecutive eruptions do not result in the expected geoeffectiveness, and how a secondary coronal mass ejection (CME) can affect the configuration of the preceding one. Methods: Using the 2.5D magnetohydrodynamics (MHD) package of the code MPI-AMRVAC, we numerically modeled consecutive CMEs inserted in two different solar winds by imposing shearing motions onto the inner boundary. The initial magnetic configuration depicts a triple arcade structure shifted southward, and embedded into a bimodal solar wind. We compared our simulated signatures with those of a multiple CME event in Sept 2009 using data from spacecraft around Mercury and Earth. We computed and analysed the Dst index for all the simulations performed. Results: The observed event fits well at 1 AU with two of our simulations, one with a stealth CME and the other without. This highlights the difficulty of attempting to use in situ observations to distinguish whether or not the second eruption was stealthy, because of the processes the flux ropes undergo during their propagation in the interplanetary space. We simulate the CMEs propagated in two different solar winds, one slow and another faster one. Only in the first case, plasma blobs arise in the trail of eruptions. Interestingly, the Dst computation results in a reduced geoeffectiveness in the case of consecutive CMEs when the flux ropes arrive with a leading positive Bz. When the Bz component is reversed, the geoeffectiveness increases, meaning that the magnetic reconnections with the trailing blobs and eruptions strongly affect the impact of the arriving interplanetary CME.

연구 동기 및 목표

• 다양한 배경 태양풍 조건이 연속적인 CME의 전파, 구조 및 지구 영향 가능성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 특히 보조 CME가 은밀한(stealthy) 경우에 예상되는 지구 영향 결과가 실패하는 이유를 규명하기 위해.
• 보조 CME가 행성간 전파 과정에서 이전 CME의 자기장 구성과 영향을 어떻게 변화시킬 수 있는지 분석하기 위해.
• 2009년 MCME 사건의 실측 자료(수성 및 지구 궤도 탐사선)를 사용하여 시뮬레이션된 현장 내 서너를 실제 관측과 비교하기 위해.
• 다양한 CME 구성과 태양풍 조건에 반응하여 스톰 강도와 회복 단계를 평가하기 위해 시뮬레이션된 자료에서 Dst 지수를 계산하고 해석하기 위해.

제안 방법

• MPI-AMRVAC 내 2.5D MHD 패키지를 사용한 수치 시뮬레이션을 통해 내부 코로나에서 전단 운동에 의해 유도된 CME를 모델링함.
• 전류를 지닌 구조물에 맞춰 지속적으로 조정되는 동적 메쉬 정밀화 기법을 구현하여 플럭스 로프의 정확한 추적을 보장함.
• CME의 진화 및 방출 후 구조에 미치는 영향을 평가하기 위해 느린 태양풍과 빠른 태양풍이라는 두 가지 별개의 배경 태양풍 조건을 시뮬레이션함.
• 은밀한 CME는 코로나 자기장 재구성의 결과로 모델링되었으며, 그 기원은 남쪽 가장자리 극성 반전선에서의 전단 운동과 관련됨.
• 2009년 9월 21–22일 MCME 사건의 다중 탐사선 관측자료(STEREO, OMNI)와 시뮬레이션된 현장 내 서너를 비교함.
• 지구 영향 가능성과 스톰 강도 평가를 위해 시뮬레이션된 속도, Bz, 동적 압력을 기반으로 실측 방법으로 Dst 지수를 계산함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 느린 태양풍과 빠른 태양풍 조건에서 연속적인 CME 이후 발생하는 플라즈마 블롭 및 플럭스 로프 구조 형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 어떤 연속적인 CME는 명백한 폭발이 있었음에도 불구하고 강력한 지구 영향 결과를 내지 못하는 이유는 무엇이며, 자기장 재결합은 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 은밀한 CME와 비은밀한 CME가 행성간 공간에서 진화하는 동안 현장 내 관측이 얼마나 정확히 이들을 구별할 수 있는가?
• RQ4 행성간 자기장 Bz 성분의 극성이 지구에 도착하는 다중 CME의 지구 영향 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 시뮬레이션에서 계산된 Dst 지수가 관측된 스톰 특성을 재현할 수 있는가? 그리고 그 폭발 강도와 회복 단계에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 무엇인가?

주요 결과

• 은밀한 CME가 포함된 시나리오와 포함되지 않은 시나리오 중 두 가지가 1 AU에서 2009년 MCME 사건의 현장 내 서너를 재현하여, 전파 후 은밀한 폭발을 식별하는 데 관측적 모호성이 있음을 시사한다.
• 플라즈마 블롭은 느린 태양풍 조건에서만 CME 뒤에 형성되었으며, 이는 초기 자기장 구성과 배경 태양풍 속도의 진단 지표로 작용할 수 있음을 시사한다.
• CME가 양의 Bz를 선도하여 도착할 경우 지구 영향 가능성은 크게 감소하였으며, 이는 CME 尾부에서의 자기장 재결합이 남방성 Bz 성분을 약화시키기 때문이다.
• Bz 극성을 반전시켜 음성으로 만들면 모든 시뮬레이션에서 지구 영향 가능성은 증가하였으며, 이는 Bz 방향이 스톰 강도에 결정적인 영향을 미친다는 것을 입증한다.
• 시뮬레이션에서 Dst 회복 단계는 관측된 것보다 더 길고 점진적이었으며, 이는 주 CME 통과 후 Dst를 추가로 낮춘 모델링되지 않은 보조 사건이 존재했기 때문일 것이다.
• 양의 Bz 조건에서는 동적 압력이 스톰 폭발 강도에 더 큰 기여를 하였고, 극성이 반전된 경우 Bz가 Dst 변동의 주요 원인로 남아 있었다.