[论文解读] Using Forbush decreases to derive the transit time of ICMEs propagating from 1 AU to Mars

J. L. Freiherr von Forstner, Jingnan Guo+14 more|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2017

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 58被引用 25

一句话总结

本研究利用地球/STEREO与火星处银河宇宙射线观测中Forbush下降事件的互相关分析，推导出1 AU至1.5 AU之间行星际冕状质量抛射（ICME）的传播时间。研究发现，大多数ICME在1 AU以外因与太阳风相互作用而经历轻微减速，且当使用1 AU处实测的ICME参数作为输入时，模型预测的火星到达时间显著改善，其中拖曳模型（DBM）的预测结果优于ENLIL模型。

ABSTRACT

The propagation of 15 interplanetary coronal mass ejections (ICMEs) from Earth's orbit (1 AU) to Mars (~ 1.5 AU) has been studied with their propagation speed estimated from both measurements and simulations. The enhancement of magnetic fields related to ICMEs and their shock fronts cause the so-called Forbush decrease, which can be de- tected as a reduction of galactic cosmic rays measured on-ground. We have used galactic cosmic ray (GCR) data from in-situ measurements at Earth, from both STEREO A and B as well as GCR measurements by the Radiation Assessment Detector (RAD) instrument onboard Mars Science Laboratory (MSL) on the surface of Mars. A set of ICME events has been selected during the periods when Earth (or STEREO A or B) and Mars locations were nearly aligned on the same side of the Sun in the ecliptic plane (so-called opposition phase). Such lineups allow us to estimate the ICMEs' transit times between 1 and 1.5 AU by estimating the delay time of the corresponding Forbush decreases measured at each location. We investigate the evolution of their propagation speeds before and after passing Earth's orbit and find that the deceleration of ICMEs due to their interaction with the ambient solar wind may continue beyond 1 AU. We also find a substantial variance of the speed evolution among different events revealing the dynamic and diverse nature of eruptive solar events. Furthermore, the results are compared to simulation data obtained from two CME propagation models, namely the Drag-Based Model and ENLIL plus cone model.

研究动机与目标

• 通过地球与火星处的Forbush下降事件，确定15个ICME从1 AU至火星的星际传播时间。
• 评估ICME在1 AU以外的传播速度演化特征。
• 利用地球与火星的实测数据，评估CME传播模型（ENLIL与DBM）的准确性。
• 通过在模型中引入1 AU处的实测数据，提升深空任务的空间天气预报能力。

提出的方法

• 对地球/STEREO与火星科学实验室（MSL）/RAD的银河宇宙射线（GCR）数据中Forbush下降（FD）起始时间进行互相关分析。
• 选取日球层对向相位期间（Δϕ < 30°）的ICME事件，以确保同一ICME在两地被同时观测。
• 将1 AU处实测的ICME参数（速度、磁场）作为输入，用于拖曳模型（DBM）与ENLIL模拟，以预测ICME抵达火星的时间。
• 通过比较观测到的传播时间与模型预测结果，评估模型的准确性和性能。
• 通过观测到的FD延迟计算1 AU至1.5 AU之间的速度演化，评估减速效应。
• 应用简化的单维DBM方程，基于观测到的减速效应估算拖曳参数Γ。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于Forbush下降互相关分析，ICME从1 AU至火星的平均传播时间是多少？
• RQ2 ICME在1 AU以外的传播速度如何演化？是否存在持续减速的证据？
• RQ3 ENLIL与拖曳模型（DBM）的预测结果与火星处观测到的ICME到达时间相比如何？
• RQ4 使用1 AU处的实测ICME参数在多大程度上提升了模型对火星到达时间预测的准确性？
• RQ5 基于1 AU至火星之间观测到的减速效应，ICME的拖曳参数Γ的估计值是多少？

主要发现

• ICME从1 AU至1.5 AU的平均传播时间为约10小时，观测值与DBM预测值之间的平均绝对差为7小时。
• 大多数ICME在1 AU以外因与周围太阳风相互作用而表现出轻微减速，表明减速效应在1 AU处并未停止。
• 拖曳模型（DBM）与观测传播时间的吻合度优于ENLIL，其平均偏差分别为（1 ± 9）小时与（9 ± 10）小时。
• 在1 AU至火星之间估算的平均拖曳参数Γ为0.09 × 10⁻⁷ km⁻¹，支持在DBM中采用恒定Γ值，尽管存在事件间差异。
• 当周围太阳风速度相对于ICME速度较慢时，减速效应更显著，凸显了相对速度在传播动力学中的作用。
• 本研究证明，在模型中引入1 AU处的实测数据可显著提升对ICME抵达火星时间的预测精度，支持为深空任务提供更优的空间天气预报。