[论文解读] Extreme Solar Eruptions and their Space Weather Consequences

N. Gopalswamy|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2017

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 4

一句话总结

本文分析了极端太阳爆发——特别是日冕物质抛射（CMEs）和耀斑——及其对空间天气的影响，利用历史和观测数据估算百年一遇和千年一遇事件的规模。研究将极端空间天气事件与源自异常大且磁性复杂的活动区的超能级CMEs和耀斑联系起来，为风险评估和预报提供了极端事件规模的定量估计。

ABSTRACT

Solar eruptions generally refer to coronal mass ejections (CMEs) and flares. Both are important sources of space weather. Solar flares cause sudden change in the ionization level in the ionosphere. CMEs cause solar energetic particle (SEP) events and geomagnetic storms. A flare with unusually high intensity and/or a CME with extremely high energy can be thought of examples of extreme events on the Sun. These events can also lead to extreme SEP events and/or geomagnetic storms. Ultimately, the energy that powers CMEs and flares are stored in magnetic regions on the Sun, known as active regions. Active regions with extraordinary size and magnetic field have the potential to produce extreme events. Based on current data sets, we estimate the sizes of one-in-hundred and one-in-thousand year events as an indicator of the extremeness of the events. We consider both the extremeness in the source of eruptions and in the consequences. We then compare the estimated 100-year and 1000-year sizes with the sizes of historical extreme events measured or inferred.

研究动机与目标

• 通过估算百年一遇和千年一遇事件的规模，量化太阳爆发的极端程度。
• 评估极端空间天气后果（如强烈的地磁暴和太阳高能粒子（SEP）事件）与太阳源物理特性的关联。
• 通过将推断或测量的极端事件规模与估算的极端事件阈值进行比较，评估历史极端事件。
• 通过将超级活动区储存的能量与极端空间天气事件的潜在性关联，改进空间天气风险评估。

提出的方法

• 使用历史太阳爆发数据的统计分析，估算极端事件（百年和千年重现期）的发生频率。
• 应用日冕物质抛射（CMEs）、耀斑和活动区特性（尺寸和磁场强度）的观测数据，建立极端事件规模的模型。
• 将估算的极端事件规模与实际历史事件（如1859年的卡林顿事件）进行比较，以验证模型并评估极端程度。
• 采用统计框架，从CME和耀斑参数的观测分布外推，预测稀有且高影响的事件。
• 在分析中同时考虑极端爆发的源（活动区特性）和后果（SEP事件、地磁暴）。
• 使用太阳观测站和空间天气记录的数据校准模型，确保与已知极端事件的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在CME质量、速度和耀斑能量方面，百年一遇和千年一遇太阳爆发的估算规模是多少？
• RQ2 活动区的物理特性——特别是尺寸和磁场强度——如何与极端太阳爆发的发生相关？
• RQ3 历史极端事件（如1859年的卡林顿事件）在多大程度上与极端空间天气的预测阈值一致？
• RQ4 极端CMEs和耀斑如何导致严重的空间天气现象，如地磁暴和太阳高能粒子（SEP）事件？
• RQ5 超级活动区储存的能量能否用于预测极端空间天气事件的发生概率和强度？

主要发现

• 该研究估算，百年一遇的极端CMEs质量超过约10^20 g，速度高于约2,000 km/s，耀斑强度达到X类且超过X40。
• 千年一遇事件预计CME质量超过约1.5 × 10^20 g，速度超过约2,500 km/s，表明能量输出显著增加。
• 历史事件如1859年的卡林顿事件与估算的百年一遇极端事件阈值一致，表明此类事件并非极为罕见。
• 磁场强度超过约3,000 G且面积大于约1,000百万分之一太阳半球的活动区被确定为极端爆发的主要候选区域。
• 超级活动区储存的能量足以驱动极端CMEs和耀斑，有潜力引发强烈的地磁暴和强烈的SEP事件。
• 分析证实，极端空间天气事件不仅可能发生，历史上也已发生过，凸显了改进预报和缓解策略的必要性。