[논문 리뷰] Using Forbush decreases to derive the transit time of ICMEs propagating from 1 AU to Mars

J. L. Freiherr von Forstner, Jingnan Guo외 14명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 19.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 58인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 지구/STEREO와 화성에서의 갤럭틱 고에너지 우주선 측정치에서의 포브시 감소 현상 간 상관관계를 이용하여 1 AU에서 1.5 AU 사이의 간행성 코로날 질량 방출(ICME) 이행 시간을 유도한다. 대부분의 ICME는 태양풍과의 상호작용로 인해 1 AU를 초과할 때 약간의 감속을 경험하며, 1 AU에서 측정된 현장 내 ICME 매개변수를 사용할 경우 모델 예측 도착 시간이 크게 향상됨을 확인하였다. 특히 드래그 기반 모델(DBM)이 ENLIL보다 더 양호한 일치를 보였다.

ABSTRACT

The propagation of 15 interplanetary coronal mass ejections (ICMEs) from Earth's orbit (1 AU) to Mars (~ 1.5 AU) has been studied with their propagation speed estimated from both measurements and simulations. The enhancement of magnetic fields related to ICMEs and their shock fronts cause the so-called Forbush decrease, which can be de- tected as a reduction of galactic cosmic rays measured on-ground. We have used galactic cosmic ray (GCR) data from in-situ measurements at Earth, from both STEREO A and B as well as GCR measurements by the Radiation Assessment Detector (RAD) instrument onboard Mars Science Laboratory (MSL) on the surface of Mars. A set of ICME events has been selected during the periods when Earth (or STEREO A or B) and Mars locations were nearly aligned on the same side of the Sun in the ecliptic plane (so-called opposition phase). Such lineups allow us to estimate the ICMEs' transit times between 1 and 1.5 AU by estimating the delay time of the corresponding Forbush decreases measured at each location. We investigate the evolution of their propagation speeds before and after passing Earth's orbit and find that the deceleration of ICMEs due to their interaction with the ambient solar wind may continue beyond 1 AU. We also find a substantial variance of the speed evolution among different events revealing the dynamic and diverse nature of eruptive solar events. Furthermore, the results are compared to simulation data obtained from two CME propagation models, namely the Drag-Based Model and ENLIL plus cone model.

연구 동기 및 목표

• 지구와 화성에서의 포브시 감소 현상을 이용하여 15개의 ICME가 1 AU에서 화성까지의 이행 시간을 파악하기 위해.
• 1 AU를 초과한 ICME 전파 속도의 변화를 평가하기 위해.
• 지구와 화성의 현장 측정치를 이용하여 CME 전파 모델(ENLIL 및 DBM)의 정확도를 평가하기 위해.
• 딥 스페이스 미션을 위한 우주 날씨 예측을 향상시키기 위해 1 AU에서의 현장 측정치를 모델에 통합하기 위해.

제안 방법

• 지구/STEREO와 화성 과학 연구소(MSL)/RAD에서의 갤럭틱 고에너지 우주선(GCR) 데이터에서의 포브시 감소(FD) 발생 시점 간 상관관계 분석을 수행함.
• 동일한 ICME가 양측에서 동시에 관측될 수 있도록 헬리오스피어릭 반대 위상(Δϕ < 30°) 동안의 ICME 이벤트를 선별함.
• 1 AU에서 측정된 현장 내 ICME 매개변수(속도, 자기장)를 드래그 기반 모델(DBM) 및 ENLIL 시뮬레이션에 입력하여 화성 도착 시간을 예측함.
• 관측된 이행 시간과 모델 예측치를 비교하여 정확도 및 모델 성능 평가함.
• 관측된 FD 지연를 이용해 1 AU와 1.5 AU 사이의 속도 변화를 계산하여 감속 여부 평가함.
• 관측된 감속 현상에서 드래그 매개변수 Γ를 추정하기 위해 단순화된 1차원 DBM 식을 적용함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 포브시 감소 상관관계를 통해 유도된 1 AU에서 1.5 AU 사이의 ICME 평균 이행 시간은 얼마인가요?
• RQ2 ICME 전파 속도는 1 AU를 초과할 때 어떻게 변화하며, 계속 감속되는지에 대한 증거는 무엇인가요?
• RQ3 ENLIL 및 드래그 기반 모델의 예측치는 화성에서의 관측된 ICME 도착 시간과 어떻게 비교되나요?
• RQ4 1 AU에서의 현장 내 ICME 매개변수를 사용할 경우, 화성 도착 시간 예측 정확도는 얼마나 향상되나요?
• RQ5 관측된 1 AU에서 화성 사이의 감속 현상에서 유추된 드래그 매개변수 Γ의 추정치는 얼마인가요?

주요 결과

• 1 AU에서 1.5 AU 사이의 평균 ICME 이행 시간은 약 10시간이며, 관측치와 DBM 예측치 간 평균 절대 차이는 7시간이다.
• 대부분의 ICME는 태양풍과의 상호작용로 인해 1 AU를 초과할 때 약간의 감속을 경험하며, 이는 1 AU에서 감속이 멈추지 않음을 시사한다.
• 드래그 기반 모델(DBM)은 ENLIL보다 관측된 이행 시간과 더 양호한 일치를 보이며, 평균 오차는 (1 ± 9)시간이며, ENLIL의 경우 (9 ± 10)시간이다.
• 1 AU에서 화성 사이에서 추정된 평균 드래그 매개변수 Γ는 0.09 × 10⁻⁷ km⁻¹이며, 이는 DBM에서 일정한 Γ 값을 사용하는 것이 타당함을 뒷받침한다.
• ICME 속도 대비 낮은 태양풍 속도는 더 큰 감속을 유도하며, 이는 상대 속도가 전파 역학에 중요한 역할을 함을 시사한다.
• 이 연구는 1 AU에서의 현장 측정치를 모델에 통합할 경우 ICME 화성 도착 예측 정확도가 크게 향상됨을 입증하였으며, 이는 딥 스페이스 미션을 위한 향상된 우주 날씨 예측을 뒷받침한다.