[论文解读] Successive Coronal Mass Ejections Associated with Weak Solar Energetic Particle Events

Bin Zhuang, Noé Lugaz+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2021

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 78被引用 6

一句话总结

本研究调查了2007–2014年间19起双日冕质量抛射（CME）事件，这些事件在L1点产生了较弱的太阳高能粒子（SEP）事件，尽管具备粒子加速的有利条件。利用多颗卫星的远程观测与原位观测数据，研究发现主要日冕质量抛射（priCME）速度是控制SEP峰值强度的主导因素，而磁连通性（包括经度和纬度）——特别是纬向传播方向——解释了为何在其他条件有利的双CME事件中未能检测到强烈的SEP事件。

ABSTRACT

The scenario of twin coronal mass ejections (CMEs), i.e., a fast and wide primary CME (priCME) preceded by previous CMEs (preCMEs), has been found to be favorable to a more efficient particle acceleration in large solar energetic particle (SEP) events. Here, we study 19 events during 2007--2014 associated with twin-CME eruptions but without large SEP observations at L1 point. We combine remote-sensing and in situ observations from multiple spacecraft to investigate the role of magnetic connectivity in SEP detection and the CME information in 3-dimensional (3D) space. We study one-on-one correlations of the priCME 3D speed, flare intensity, suprathermal backgrounds, and height of CME-CME interaction with the SEP intensity. Among these, the priCME speed is found to correlate with the SEP peak intensity at the highest level. We use the projection correlation method to analyze the correlations between combinations of these multiple independent factors and the SEP peak intensity. We find that the only combination of two or more parameters that has higher correlation with the SEP peak intensity than the CME speed is the CME speed combined with the propagation direction. This further supports the dominant role of the priCME in controlling the SEP enhancements, and emphasizes the consideration of the latitudinal effect. Overall, the magnetic connectivity in longitude as well as latitude and the relatively lower priCME speed may explain the existence of the twin-CME SEP-poor events. The role of the barrier effect of preCME(s) is discussed for an event on 2013 October 28.

研究动机与目标

• 理解为何某些双CME事件在具备粒子加速有利条件的情况下仍产生弱SEP事件。
• 评估磁连通性（经度和纬度）在决定原位SEP检测水平中的作用。
• 评估priCME速度、耀斑强度、非热背景及CME-CME相互作用对SEP峰值强度的影响。
• 确定CME参数组合是否能超越仅依赖priCME速度的SEP强度预测能力。
• 利用非对称经向分布模型估算最佳连通SEP峰值强度。

提出的方法

• 结合SOHO、STEREO、ACE、Wind和SDO的远程观测与原位观测数据，重建CME的三维运动学及磁连通性。
• 采用投影相关性方法分析CME参数与SEP峰值强度（I0）之间的多变量相关性。
• 应用两种经向分布模型：EqI（非对称，来自Xie等，2019年）和EqII（对称高斯分布，来自Lario等，2013年），以估算I0。
• 计算观测值与估算值之间I0的均方根（RMS）误差，以验证模型性能。
• 对单个参数（如Vpri、△θ、ISXR、Ib、dn）与I0进行一对一相关性分析。
• 利用投影相关性评估参数组合的显著性，以判断其预测能力是否超越单一因素。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何某些双CME事件尽管具备有利的CME构型，却未能产生强烈的SEP事件？
• RQ2 与其它CME和耀斑参数相比，priCME速度在多大程度上决定了SEP峰值强度？
• RQ3 纬度和经度方向的磁连通性如何影响1 AU处SEP事件的检测？
• RQ4 priCME速度与传播方向的组合是否能提升SEP强度预测能力，超越仅依赖速度本身？
• RQ5 非热粒子背景和CME-CME相互作用距离在SEP增强中扮演何种角色？

主要发现

• priCME速度（Vpri）与SEP峰值强度的相关系数（CC）最高，证实其在控制I0方面起主导作用。
• 将priCME的纬向传播方向（△θ）纳入分析后，对SEP稀少事件的相关性显著提升，凸显纬向磁连通性的重要性。
• 耀斑软X射线峰值通量（ISXR）与I0的相关系数较弱（CC = 0.384），但可能因与CME速度相关而产生混淆。
• 非热质子背景（Ib）仅在SEP丰富事件中与I0中等相关（CC ~0.5），表明其可能作为激波加速的种子粒子源。
• CME-CME相互作用的归一化距离（dn）仅在SEP丰富事件中与I0相关（CC = 0.568），支持preCME–priCME初始距离越近越有利于粒子释放。
• 任何两个或更多参数的组合均未使投影相关系数超越仅使用Vpri单独时的水平，进一步强化了priCME速度作为SEP强度主要控制因素的地位。