[論文レビュー] Using Forbush decreases to derive the transit time of ICMEs propagating from 1 AU to Mars

J. L. Freiherr von Forstner, Jingnan Guo+14 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2017

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 58被引用数 25

ひとこと要約

本研究では、地球/STEREOおよび火星における銀河宇宙線測定におけるフォービッシュ減少の相互相関を用いて、1 AUから1.5 AUにおける日間隔コロナ質量噴出（ICME）の移動時間を導出する。ICMEの大部分は、1 AU以降でも太陽風との相互作用によってわずかに減速しており、1 AU以降の減速が継続することを示している。また、1 AUで測定されたICMEの実地パラメータを用いることで、モデル予測の火星到着時刻の精度が著しく向上し、ドラッグベースモデル（DBM）はENLILよりも良好な一致を示している。

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.

研究の動機と目的

• 15個のICMEの移動時間を、地球および火星におけるフォービッシュ減少を用いて1 AUから火星へと特定する。
• 1 AU以降におけるICME伝播速度の進化を評価する。
• 地球および火星の実地測定データを用いて、CME伝播モデル（ENLILおよびDBM）の正確性を評価する。
• 1 AUでの実地データをモデルに組み込むことにより、深宇宙ミッションのための宇宙天気予測を改善する。

提案手法

• 地球/STEREOおよびMars Science Laboratory（MSL）/RADの銀河宇宙線（GCR）データにおけるフォービッシュ減少（FD）の開始時刻の相互相関分析。
• 同一ICMEが両地点で同時に観測可能となるよう、ヘリオスフィア的反対位相（Δϕ < 30°）の期間中のICMEイベントを選定する。
• 1 AUで測定された実地ICMEパラメータ（速度、磁場）を、ドラッグベースモデル（DBM）およびENLILシミュレーションの入力として用い、火星到着時刻を予測する。
• 観測された移動時間とモデル予測を比較し、正確性およびモデルの性能を評価する。
• 観測されたFD遅延を用いて、1 AUから1.5 AU間の速度変化を計算し、減速の程度を評価する。
• 簡略化された1次元DBM式を用いて、観測された減速からドラッグパラメータΓを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォービッシュ減少の相互相関から導かれる、1 AUから1.5 AUへのICMEの平均移動時間は何か？
• RQ2 ICME伝播速度は1 AU以降どのように変化するのか。さらに減速が継続する証拠はあるか？
• RQ3 ENLILおよびドラッグベースモデルの予測は、火星におけるICME到着時刻とどの程度一致するか？
• RQ4 1 AUでの実地ICMEパラメータを用いることで、火星到着時刻の予測精度はどの程度向上するか？
• RQ5 1 AUから火星間の観測された減速に基づいて、ICMEの推定ドラッグパラメータΓは何か？

主な発見

• 1 AUから1.5 AUへのICMEの平均移動時間は約10時間であり、観測値とDBM予測値の平均絶対差は7時間である。
• 大部分のICMEは、1 AU以降でも周囲の太陽風との相互作用によってわずかに減速しており、1 AUで減速が停止するわけではないことが示唆される。
• ドラッグベースモデル（DBM）はENLILよりも観測された移動時間と良好に一致しており、平均差は(1 ± 9)時間であるのに対し、ENLILは(9 ± 10)時間であった。
• 1 AUから火星間で推定された平均ドラッグパラメータΓは0.09 × 10⁻⁷ km⁻¹であり、イベント間のばらつきが見られるものの、DBMにおける定数Γの使用を支持する。
• ICME速度に対して遅い周囲の太陽風速度は、より大きな減速を示す。これは相対速度が伝播ダイナミクスに与える影響を強調する。
• 本研究は、1 AUでの実地測定データをモデルに組み込むことで、火星におけるICME到着時刻の予測精度が著しく向上することを示しており、深宇宙ミッションのための宇宙天気予測の向上を支援する。