[논문 리뷰] Successive Coronal Mass Ejections Associated with Weak Solar Energetic Particle Events

Bin Zhuang, Noé Lugaz외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 06.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 78인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 2007–2014년 동안 L1에서 약한 태양 고에너지 입자(SEC) 사건을 유발했음에도 불구하고 입자 가속 조건이 유리한 19건의 쌍둥이 코로날 질량 방출(CME) 사건을 조사한다. 다중 위성 원거리 감시 및 현장 관측을 통해, 주 CME(priCME) 속도가 SEP 최고 강도를 결정짓는 주요 요인임을 규명하였으며, 경도 및 위도에서의 자기 연결성—특히 위도 방향의 전파 방향—이 유리한 조건을 갖춘 쌍둥이 CME 사건에서도 강력한 SEP 탐지가 이루어지지 않는 이유를 설명한다.

ABSTRACT

The scenario of twin coronal mass ejections (CMEs), i.e., a fast and wide primary CME (priCME) preceded by previous CMEs (preCMEs), has been found to be favorable to a more efficient particle acceleration in large solar energetic particle (SEP) events. Here, we study 19 events during 2007--2014 associated with twin-CME eruptions but without large SEP observations at L1 point. We combine remote-sensing and in situ observations from multiple spacecraft to investigate the role of magnetic connectivity in SEP detection and the CME information in 3-dimensional (3D) space. We study one-on-one correlations of the priCME 3D speed, flare intensity, suprathermal backgrounds, and height of CME-CME interaction with the SEP intensity. Among these, the priCME speed is found to correlate with the SEP peak intensity at the highest level. We use the projection correlation method to analyze the correlations between combinations of these multiple independent factors and the SEP peak intensity. We find that the only combination of two or more parameters that has higher correlation with the SEP peak intensity than the CME speed is the CME speed combined with the propagation direction. This further supports the dominant role of the priCME in controlling the SEP enhancements, and emphasizes the consideration of the latitudinal effect. Overall, the magnetic connectivity in longitude as well as latitude and the relatively lower priCME speed may explain the existence of the twin-CME SEP-poor events. The role of the barrier effect of preCME(s) is discussed for an event on 2013 October 28.

연구 동기 및 목표

• 유리한 입자 가속 조건을 갖추고도 일부 쌍둥이 CME 사건에서 약한 SEP 사건이 발생하는 이유를 이해하기 위해.
• 현장에서의 SEP 탐지 수준을 결정짓는 데 있어 자기 연결성(경도 및 위도)의 역할을 평가하기 위해.
• priCME 속도, 플레어 강도, 초열역입자 배경 및 CME-CME 상호작용이 SEP 최고 강도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• priCME 속도 외에 CME 매개변수 조합이 단독 priCME 속도보다 SEP 강도 예측을 향상시키는지 확인하기 위해.
• 비대칭 경도 분포 모델을 사용하여 최적의 연결성을 가진 SEP 최고 강도를 추정하기 위해.

제안 방법

• SOHO, STEREO, ACE, Wind, SDO의 원거리 감시 및 현장 관측 데이터를 융합하여 3차원 CME 운동학 및 자기 연결성을 재구성하였다.
• CME 매개변수와 SEP 최고 강도(I0) 간의 다변량 상관관계 분석을 위해 투영 상관관계 방법을 사용하였다.
• 두 경도 분포 모델을 적용: EqI(비대칭, Xie 등 2019년의 결과 기반) 및 EqII(대칭 가우시안, Lario 등 2013년의 결과 기반)를 사용하여 I0를 추정하였다.
• 관측된 I0와 추정된 I0 간의 제곱근 평균 제곱오차(RMS)를 계산하여 모델 성능을 검증하였다.
• 개별 매개변수(Vpri, △θ, ISXR, Ib, dn 등)와 I0 간의 일대일 상관관계 분석을 수행하였다.
• 투영 상관관계를 활용하여 매개변수 조합의 유의성을 평가하여 단일 요인을 초월한 예측 능력을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유리한 CME 구성 조건을 갖추고도 일부 쌍둥이 CME 사건이 강력한 SEP 사건을 유도하지 못하는 이유는 무엇인가?
• RQ2 다른 CME 및 플레어 매개변수에 비해 priCME 속도가 SEP 최고 강도를 얼마나 결정짓는가?
• RQ3 경도 및 위도에서의 자기 연결성이 1 AU에서의 SEP 사건 탐지에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 priCME 속도와 전파 방향의 조합이 단독 속도보다 SEP 강도 예측을 향상시키는가?
• RQ5 초열역입자 배경 및 CME-CME 상호작용 거리가 SEP 강화에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• priCME 속도(Vpri)는 SEP 최고 강도와 가장 높은 상관계수(CC)를 보이며, I0를 결정짓는 데 있어 주도적 역할을 함을 확인하였다.
• priCME의 위도 방향 전파 방향(△θ)을 포함시키면, SEP가 약한 사건의 상관계수 향상이 두드러지며, 위도가 자기 연결성에서 중요한 역할을 함을 시사한다.
• 플레어의 연속적 X선 피크 플럭스(ISXR)는 I0와 약한 상관관계(CC = 0.384)를 보이지만, 이는 CME 속도와의 상관관계에 의해 혼동될 가능성이 있다.
• 초열역입자 배경(Ib)은 SEP가 풍부한 사건에서만 중간 정도의 상관관계(CC ~0.5)를 보이며, 충격 가속의 시드 입자 집단으로서의 역할을 시사한다.
• CME-CME 상호작용의 정규화된 거리(dn)는 SEP가 풍부한 사건에서만 I0와 상관관계(CC = 0.568)를 보이며, 이는 preCME와 priCME 간의 가까운 거리에서 입자 방출이 증가함을 뒷받침한다.
• 두 개 이상의 매개변수 조합이 Vpri 단독일 때보다 투영 상관계수를 향상시키지 못하며, 이는 priCME 속도가 SEP 강도를 결정짓는 주요 요소임을 재확인한다.