[논문 리뷰] The Relationship Between the Expansion Speed and Radial Speed of CMEs Confirmed Using Quadrature Observations of the 2011 February 15 CME

N. Gopalswamy, P. Mäkelä외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 05. 03.

Solar and Space Plasma Dynamics인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 2011년 2월 15일 코로나르 질량 방출(CME) 동안 STEREO와 SOHO의 사잇각 관측을 통해 CME의 팽창 속도(Vexp)와 반경 방향 속도(Vrad) 간의 경험적 관계를 확인한다. STEREO-B에서 측정한 CME의 반각폭(w = 38°)을 바탕으로 유도된 Vrad = 1.14 × Vexp는 반경 방향 속도 1023 km/s를 산출하였으며, 이는 STEREO-A의 직접 측정치 945 km/s와 STEREO-B의 1058 km/s와 매우 유사하여 기하학적 모델의 타당성을 검증하였고, 오차 범위는 3.4–7.6%였다.

ABSTRACT

It is difficult to measure the true speed of Earth-directed CMEs from a coronagraph located along the Sun-Earth line because of the occulting disk. However, the expansion speed (the speed with which the CME appears to spread in the sky plane) can be measured by such a coronagraph. In order to convert the expansion speed to radial speed (which is important for space weather applications) one can use an empirical relationship between the two that assumes an average width for all CMEs. If we have the width information from quadrature observations, we can confirm the relationship between expansion and radial speeds derived by Gopalswamy et al. (2009a). The STEREO spacecraft were in qudrature with SOHO (STEREO-A ahead of Earth by 87o and STEREO-B 94o behind Earth) on 2011 February 15, when a fast Earth-directed CME occurred. The CME was observed as a halo by the Large-Angle and Spectrometric Coronagraph (LASCO) on board SOHO. The sky-plane speed was measured by SOHO/LASCO as the expansion speed, while the radial speed was measured by STEREO-A and STEREO-B. In addition, STEREO-A and STEREO-B images provided the width of the CME, which is unknown from Earth view. From the SOHO and STEREO measurements, we confirm the relationship between the expansion speed (Vexp) and radial speed (Vrad) derived previously from geometrical considerations (Gopalswamy et al. 2009a): Vrad = 1/2 (1 + cot w)Vexp, where w is the half width of the CME. STEREO-B images of the CME, we found that CME had a full width of 76o, so w = 38o. This gives the relation as Vrad = 1.14 Vexp. From LASCO observations, we measured Vexp = 897 km/s, so we get the radial speed as 1023 km/s. Direct measurement of radial speed yields 945 km/s (STEREO-A) and 1058 km/s (STEREO-B). These numbers are different only by 7.6% and 3.4% (for STEREO-A and STEREO-B, respectively) from the computed value.

연구 동기 및 목표

• 기하학적 고려사항에서 유도된 CME 팽창 속도와 반경 방향 속도 간의 경험적 관계를 검증하는 것.
• 반경 방향 속도가 폭에 따라 변하는 공식을 사용해 팽창 속도에서 정확하게 추정할 수 있는지 시험하는 것.
• 단일 지점에서의 지구 기반 관측을 통해 CME 속도 추정의 불확실성을 줄임으로써 공간 날씨 예측의 정확도를 향상시키는 것.
• STEREO와 SOHO의 사잇각 기하학을 활용해 CME 폭과 반경 방향 속도를 독립적으로 측정하는 것.

제안 방법

• 지구에서의 시야에서 CME의 천구 평면 팽창 속도(Vexp)를 측정하기 위해 SOHO/LASCO 코로나그래프를 활용하였다.
• STEREO-A와 STEREO-B를 사용하여 입체 영상 기반으로 CME의 반경 방향 속도(Vrad)를 직접 측정하였다.
• STEREO-B 영상에서 CME의 전체 폭을 측정하여 반각폭(w)을 38°로 결정하였다.
• 기하학적 공식 Vrad = ½(1 + cot w)Vexp를 적용하여 Vexp를 예측된 Vrad로 변환하였다.
• 예측된 Vrad를 STEREO-A와 STEREO-B의 직접 측정치와 비교하여 정확도를 평가하였다.
• 독립적이고 상호 보완적인 관측을 확보하기 위해 사잇각 기하학(STEREO-A는 87° 앞서고, STEREO-B는 94° 뒤져 있음)을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 경험적 관계 Vrad = ½(1 + cot w)Vexp는 지구를 햖갈 향하는 CME의 반경 방향 속도를 정확하게 예측하는가?
• RQ2 사잇각 관측을 통해 유도된 CME의 반각폭(w)은 팽창 속도에서 반경 방향 속도 추정을 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 기하학적 모델을 사용해 예측된 반경 방향 속도는 직접 입체 영상 측정치와 얼마나 정확한가?
• RQ4 폭에 따라 변하는 공식은 공간 날씨 예측에서 CME 속도 예측의 불확실성을 어느 정도 감소시키는가?

주요 결과

• STEREO-B 영상에서 측정한 CME의 반각폭(w)은 38°였으며, 이로 인해 Vrad = 1.14 × Vexp 관계에서 폭 인자로 1.14를 도출하였다.
• SOHO/LASCO에서 측정한 팽창 속도(Vexp)는 897 km/s였으며, 이에 따라 예측된 반경 방향 속도는 1023 km/s였다.
• STEREO-A와 STEREO-B에서의 직접 반경 방향 속도 측정치는 각각 945 km/s와 1058 km/s였으며, 예측값과 비교해 각각 7.6%와 3.4%의 편차를 보였다.
• 3.4–7.6% 이내의 일치는 반경 방향 속도 추정을 위한 기하학적 모델의 타당성을 확인한다.
• 이 연구는 사잇각 관측이 팽창 속도에서 반경 방향 속도 추정의 정확도를 크게 향상시킨다는 것을 보여준다.
• 결과는 Vrad = ½(1 + cot w)Vexp 공식이 공간 날씨 예측에 신뢰할 수 있는 도구로 활용될 수 있음을 뒷받침한다.