[论文解读] Quasi-planar ICME sheath: a cause of first two-step extreme geomagnetic storm of 25th solar cycle observed on 23 April 2023

Kalpesh Ghag, Anil Raghav+6 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2023

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 4

一句话总结

本研究识别出在2023年4月23日太阳周期25的首个双阶段极端地磁风暴中，日球层冕状质量抛射（ICME）鞘区内的准平面磁结构（PMS）是关键驱动因素，Sym-H ≈ −231 nT。准PMS区域内的非绝热膨胀减弱，增强了行星际磁场的南向分量，从而实现能量和等离子体向地球磁层的高效传输，导致磁层顶压缩至<6.6 RE，影响地球同步轨道卫星。

ABSTRACT

Interplanetary Coronal Mass Ejections (ICMEs) are prominent drivers of space weather disturbances and mainly lead to intense or extreme geomagnetic storms. The reported studies suggested that the planar ICME sheath and planar magnetic clouds (MCs) cause extreme storms. Here, we investigated the severe two-step geomagnetic storm ($Dst \sim -187$ nT) of 25$^{th}$ solar cycle. Our analysis demonstrates flattened (pancaked) ICME structures, i.e., quasi-planar magnetic structures (PMS). The study corroborates our earlier reported finding that the less adiabatic expansion in quasi-PMS transformed ICME enhanced the strength of the southward magnetic field component. It contributes to the efficient transfer of plasma and energy in the Earth's magnetosphere to cause the observed severe storm.

研究动机与目标

• 研究2023年4月23日观测到的太阳周期25首个双阶段极端地磁风暴的物理机制。
• 确定ICME鞘区在驱动极端风暴条件中的作用，特别关注磁场结构与等离子体动力学。
• 研究鞘区准平面磁结构（PMS）如何增强行星际磁场（IMF）的南向分量。
• 评估磁层顶停靠距离减少至<6.6 RE对地球同步卫星运行的影响。
• 验证在准PMS结构中非绝热膨胀减弱会增强能量和等离子体向磁层传输的假设。

提出的方法

• 利用多颗航天器的原位太阳风与磁场数据，识别ICME鞘区及其磁场结构。
• 应用磁场几何与PMS检测技术，识别鞘区内的准平面构型。
• 对准PMS区域内的南向IMF分量（Bz）进行定量评估，以评价其在驱动环电流增强中的作用。
• 利用太阳风动压与磁压平衡模型，估算磁层顶停靠距离。
• 将观测到的Sym-H指数最小值（≈−231 nT）与南向IMF及PMS结构的持续时间与强度进行相关性分析。
• 利用既有的环电流动力学与风暴恢复模型，解释风暴演化过程。

Figure 1: Top panel (a) SDO/AIA 171 Åfilter image of source active region of CME-1 on 01 Nov 2021 18:38 UT, and zoom snap of AR 13283. (b)zoomed snap of the EUV AIA 304 Åimages showing the flux rope eruption.(c) GOES X-ray plot for solar flare occurred on April 21, 2023, 17:44 UT. In the plot, the r

实验结果

研究问题

• RQ1 ICME鞘区的哪些结构特征促成了2023年4月23日的极端地磁风暴？
• RQ2 鞘区内准平面磁结构（PMS）的形成如何增强IMF的南向分量？
• RQ3 准PMS区域中减少的绝热膨胀在增强能量向地球磁层传输方面起到何种作用？
• RQ4 由于ICME影响，磁层顶压缩程度如何，其对应的停靠距离是多少？
• RQ5 风暴的双阶段演化如何与鞘区及PMS结构的时间演化相关联？

主要发现

• 太阳周期25的首个双阶段极端地磁风暴发生于2023年4月23日，Sym-H指数最小值约为−231 nT。
• 该风暴由ICME鞘区内形成的准平面磁结构（PMS）驱动，其表现出相较于标准PMS模型的非绝热膨胀减弱。
• 这种非绝热膨胀减弱增强了行星际磁场的南向分量（Bz），从而实现太阳风能量向磁层的长期高效耦合。
• 磁层顶停靠距离压缩至小于6.6个地球半径（RE），显著影响在约6 RE附近运行的地球同步卫星。
• 风暴的双阶段特征与鞘区及PMS的时间演化相关，表现为Bz增强与持续南向的两个阶段。
• 研究结果支持假设：ICME鞘区内的准PMS结构因增强的能量传输效率，是引发极端地磁风暴的关键因素。

Figure 2: Top six panels show interplanetary parameters during ICME passage from 23-24 April 2023. The topmost panel display total interplanetary field strength ( $B_{mag}$ ). The 2nd panel from the top shows variation in magnetic field components( $B_{x}$ , $B_{y}$ , $B_{z}$ ). The third panel demo