[论文解读] Space weather: the solar perspective -- an update to Schwenn (2006)

Manuela Temmer|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2021

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 519被引用 262

一句话总结

本文从太阳视角更新了Schwenn（2006）关于空间天气的研究，聚焦日冕物质抛射（CMEs）、耀斑、太阳高能粒子（SEPs）以及太阳风流相互作用区（SIRs）。借助STEREO、帕克太阳探测器和太阳轨道器的多点观测，本文推进了CME演化与SEP预测的三维建模，显著提升了对太阳风动力学及空间天气影响预测的理解。

ABSTRACT

The Sun, as an active star, is the driver of energetic phenomena that structure interplanetary space and affect planetary atmospheres. The effects of Space Weather on Earth and the solar system is of increasing importance as human spaceflight is preparing for lunar and Mars missions. This review is focusing on the solar perspective of the Space Weather relevant phenomena, coronal mass ejections (CMEs), flares, solar energetic particles (SEPs), and solar wind stream interaction regions (SIR). With the advent of the STEREO mission (launched in 2006), literally, new perspectives were provided that enabled for the first time to study coronal structures and the evolution of activity phenomena in three dimensions. New imaging capabilities, covering the entire Sun-Earth distance range, allowed to seamlessly connect CMEs and their interplanetary counterparts measured in-situ (so called ICMEs). This vastly increased our knowledge and understanding of the dynamics of interplanetary space due to solar activity and fostered the development of Space Weather forecasting models. Moreover, we are facing challenging times gathering new data from two extraordinary missions, NASA's Parker Solar Probe (launched in 2018) and ESA's Solar Orbiter (launched in 2020), that will in the near future provide more detailed insight into the solar wind evolution and image CMEs from view points never approached before. The current review builds upon the Living Reviews paper by Schwenn from 2006, updating on the Space Weather relevant CME-flare-SEP phenomena from the solar perspective, as observed from multiple viewpoints and their concomitant solar surface signatures.

研究动机与目标

• 更新2006年《Living Reviews》中关于从太阳视角研究空间天气的论文，聚焦CMEs、耀斑、SEPs与SIRs。
• 整合STEREO、帕克太阳探测器与太阳轨道器的多视角观测，以增强对太阳活动的三维理解。
• 通过将太阳表面特征与星际扰动及地磁效应关联，改进空间天气预测。
• 解决当前模型因投影效应、磁场外推误差以及观测稀疏性导致的局限性。
• 识别关键的数据空白与未来任务需求，例如L4/L5观测与极轨任务，以实现更精确的空间天气预测。

提出的方法

• 综合STEREO-A/B、帕克太阳探测器（PSP）与太阳轨道器的多航天器观测，从多个观测点研究CMEs与太阳风。
• 通过立体视觉与日球层成像技术，对CMEs与ICMEs进行三维重建，以减少投影效应并改进传播建模。
• 利用L1点及深空探测器的原位测量数据，验证并校准CMEs与SEPs的远程观测结果。
• 将太阳表面代理参数（如活动区复杂性、磁场演化）与CME及SEP参数相结合，以改进预测模型。
• 采用集合建模与机器学习技术，以处理CME与SEP预测中的不确定性，降低误报率。
• 利用国际数据平台（ESA/SSA、NASA/CCMC）测试并实现预测工具，支持从科研到业务应用（R2O）的转化。

实验结果

研究问题

• RQ1 STEREO、PSP与太阳轨道器的多点观测如何提升CMEs与ICMEs的三维重建与传播建模？
• RQ2 磁重连在耀斑、CMEs与SEP加速之间的耦合作用是什么？如何实现更优的建模？
• RQ3 日冕结构（如流相互作用区SIRs与日冕洞）如何为CME与SEP的演化预先调节星际空间？
• RQ4 当前空间天气预测模型的主要局限是什么？多仪器、多点观测如何减少不确定性？
• RQ5 未来任务架构（如L5点、极轨）需要如何设计，以最小化投影效应并提升对太阳爆发的追踪能力？

主要发现

• STEREO的多视角观测首次实现了从太阳附近CMEs到其在星际空间中被原位测量的ICMEs之间的无缝三维连接。
• 帕克太阳探测器在10个太阳半径以内的近距离观测，为太阳风起源与加速机制以及SEPs过程提供了前所未有的数据。
• 太阳轨道器独特的高倾角轨道使其能够详细研究太阳极区，提升了对日冕洞及其在高速太阳风流中作用的理解。
• 多点观测显著减少了投影效应，提高了对CME速度、方向与磁场取向估计的准确性。
• 集合建模与机器学习技术已显著降低SEP预测中的误报率，但因磁场测量不完整，仍存在挑战。
• 缺乏来自L4/L5点的连续侧视观测仍是主要数据空白，限制了对CMEs进行投影畸变最小化的追踪能力。