[论文解读] The Solar and Geomagnetic Storms in May 2024: A Flash Data Report

Hisashi Hayakawa, Yusuke Ebihara+17 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2024

Earthquake Detection and Analysis被引用 7

一句话总结

本文记录并量化了 May 2024 的太阳爆发及随之而来的极端地磁风暴，其中包括 ICME 事件、磁层压缩、极光扩张以及电离层增强，采用多台仪器观测。

ABSTRACT

In May 2024, the scientific community observed intense solar eruptions that resulted in a great geomagnetic storm and auroral extension, highlighting the need to document and quantify these events. This study mainly focuses on their quantification. The source active region (AR 13664) evolved from 113 to 2761 millionths of the solar hemisphere between 4 May and 14 May. AR 13664's magnetic free energy surpassed 10^33 erg on 7 May, triggering 12 X-class flares on 8 -- 15 May. Multiple interplanetary coronal mass ejections (ICMEs) were produced from this AR, accelerating solar energetic particles toward Earth. According to satellite and interplanetary scintillation data, at least 4 ICMEs erupted from 13664 eventually overcoming each other and combining. The shock arrival at 17:05 UT on 10 May significantly compressed the magnetosphere down to ~ 5.04 RE, and triggered a deep Forbush Decrease. GOES satellite data and ground-based neutron monitors confirmed a ground-level enhancement from 2 UT to 10 UT on 11 May 2024. The ICMEs induced exceptional geomagnetic storms, peaking at a Dst index of -412 nT at 2 UT on 11 May, marking the sixth-largest storm since 1957. The AE and AL indices showed great auroral extensions that located the AE/AL stations into the polar cap. We gathered auroral records at that time and reconstructed the equatorward boundary of the visual auroral oval to 29.8° invariant latitude. We compared naked-eye and camera auroral visibility, providing critical caveats on their difference. We also confirmed global enhancements of storm-enhanced density of the ionosphere.

研究动机与目标

• 量化 AR 13664 活跃区在 May 2024 的太阳爆发活动。
• 表征导致地磁风暴的行星际 CME 及其相互作用。
• 描述事件中观测到的磁层响应和极光扩张。
• 评估地基与太空观测在可见极光与电离层增强方面的观测结果。
• 提供就肉眼与相机记录的极光资料进行比较的注意事项。

提出的方法

• 追踪 AR 13664 从 4 May 到 14 May 的演化，并在 7 May 估算磁自由能 (>10^33 erg)。
• 汇编并分析来自卫星、行星际闪烁观测和地基网络的数据，以识别并确定 ICME 事件及其相互作用的时间（至少 4 次 ICME 爆发合并）。
• 利用 GOES、中子监测和极光观测来识别地表增强（ground-level enhancement）及极光范围。
• 将肉眼可见极光椭圆的赤道边界重建至 29.8° 不变纬度。
• 比较肉眼与相机极光观测以讨论可见性方面的注意事项。
• 评估事件期间的电离层风暴增强密度。

实验结果

研究问题

• RQ1 2024 年 5 月 AR 13664 的太阳爆发的序列和演化是什么？
• RQ2 多次 ICME 如何相互作用并合并以驱动地磁风暴？
• RQ3 这些事件对磁层的后果是什么（例如 Dst、极光扩张）？
• RQ4 极光的可见性与位置如何与实际光学和仪器测量相关？
• RQ5 伴随风暴的电离层响应是什么，例如风暴增强密度？

主要发现

• AR 13664 在 7 May 前后演变为超过 10^33 erg 的磁自由能，并在 8–15 May 之间产生了 12 次 X-class 爆发。
• 从 AR 13664 至少有 4 次 ICME 爆发并合并，产生了强烈的日地间扰动。
• 震荡于 10 May 17:05 UT 到达并将磁层压缩至 ~5.04 地球半径，触发深部 Forbush 下降。
• 在 11 May 2 UT 到 10 UT 观测到地表增强，得到 GOES 与中子监测的 corroboration。
• 地磁风暴在 11 May 2 UT 达到 Dst = −412 nT 的峰值，是自 1957 年以来第六大，并伴随广泛的极光扩张。
• 极光观测使可将肉眼可见极光椭圆的赤道边界重建至 29.8° 不变纬度。
• 电离层的风暴增强密度全球性增强得到证实。