Astronomiczny Obiekt Miesiąca: Sierpień 2020

< poprzedni Archiwum następny >

Koronalne wyrzuty masy i strumienie energetycznych cząstek słonecznych w pobliżu kwadraturowej konfiguracji sond STEREO

Pogoda kosmiczna na Ziemi zależna jest głównie od burz magnetycznych i wypływów wysokoenergetycznych cząstek - w obu przypadkach wywoływanych przez silnie przyśpieszone strumienie słonecznych protonów i jonów. Te rozpędzone do znacznych prędkości przepływy plazmy nazywane są też strumieniami cząstek wysokoenergetycznych (ang. Solar Energetic Particles, w skrócie: SEP). Emisja cząstek SEP może być efektem dwóch różnych zjawisk: impulsywnych zdarzeń SEP wywoływanych na drodze rekoneksji (zmiany geometrii) pól magnetycznych, manifestujących się w postaci rozbłysków słonecznych, lub powolnych, postępujących stopniowo zdarzeń SEP związanych z przyśpieszaniem tych cząstek w silnych falach uderzeniowych (szokach) towarzyszących koronalnym wyrzutom masy. Naukowcy z OAUJ wykazali, że metoda oparta na wykorzystaniu ich tzw. prędkości chwilowych pozwala na uzyskanie korelacji lepszych niż w przypadku metody prędkości uśrednionych. Dodatkowo wykazali słabą korelację między strumieniami cząstek SEP i słonecznymi rozbłyskami, co wspiera hipotezę, zgodnie z którą te energetyczne cząsteczki są przyśpieszane głównie w szokach koronalnych wyrzutów masy.

Ilustracja 1: 23 stycznia 2012 roku instrument LASCO (Large Angle and Spectrometric Coronagraphs umieszczony na pokładzie sondy SOHO (SOlar and Heliospheric Observatory) zarejestrował koronalny wyrzut masy oraz związaną z nim emisję silnie przyśpieszonej plazmy złożonej z energetycznych cząstek słonecznych (SEP). Cząsteczki te pokazane są tutaj jako białe ziarna w polu widzenia; pojawiają się około 4 godziny po emisji koronalnego wyrzutu masy. Źródło: SOHO Observatory.

Koronalne wyrzuty masy (ang. Coronal Mass Ejecttions, CMEs) to intensywne wybuchy plazmy i pól magnetycznych, odgrywające kluczową rolę w procesach tworzenia się silnych burz geomagnetycznych na Ziemi. Duże, stopniowo narastające i długotrwałe zdarzenia SEP są pod tym względem szczególnie interesujące, ponieważ łączne przybycie w okolice Ziemi koronalnego wyrzutu masy, szoku plazmy słonecznej i zwiększonej emisji cząstek SEP może spowodować poważne uszkodzenia satelitów w przestrzeni kosmicznej oraz różnych technologii stosowanych na powierzchni naszej planety. Natężenia strumieni SEP i prędkości CME są przy tym dość dobrze skorelowane. Silne szoki wywoływane przez koronalne wyrzuty masy rozpraszają jony w przód i w tył dzięki rezonansowym falom Alfvena, wzmacnianym dodatkowo przez same przyspieszone protony.

Literatura naukowa podaje kilka przykładów ciekawych badań nad korelacjami między prędkościami CME a pikowymi wartościami dla powiązanych z nimi strumieni cząstek SEP. Warto zauważyć, że rozważania te opierały się jak dotąd na analizie średnich prędkości CME. W omawianym artykule również badane są te korelacje, ale w nieco inny sposób - bazując na zastosowaniu tzw. chwilowych prędkości nieoodziałujących koronalnych wyrzutów masy w pobliżu kwadraturowej konfiguracji dwóch satelitów Solar TErrestrial RElations Observatory (STEREO). Dane z instrumentów SOlar and Heliospheric Observatory (SOHO)/ Large Angle and Spectrometric Coronagraphs (LASCO) oraz STEREO/Sun Earth Connection Coronal and Heliospheric Investigation (SECCHI) zastosowano dodatkowo do wyznaczenia parametrów kinematycznych badanych CME. W badaniach wykorzystano strumienie SEP obserwowane w trzech zakresach energii (> 10 MeV, > 50 MeV i > 100 MeV) przez satelitę GOES-13 (Geostationary Operational Environmental Satellite, instrument SEM). W pracy omówiono również ich związek ze strumieniami pikowymi rentgenowskich rozbłysków słonecznych, które związane są z tymi dwoma zjawiskami. Było to możliwe dzięki wykorzystaniu danych z GOES-15.

Z ilustracji 2 wynika, że prędkości CME są dobrze skorelowane z natężeniami wysokoenergetycznych protonów we wszystkich trzech kanałach energetycznych. Dobra korelacja uzyskana dla strumieni protonów o energiach wyższych niż 10 MeV potwierdza hipotezę, według której protony są przyspieszane głównie w falach uderzeniowych generowanych przez szybkie koronalne wyrzuty masy propagujące się w przestrzeni międzyplanetarnej. Cząstki o energiach większych niż 50 i 100 MeV są również w większości przyspieszane przez te same fale uderzeniowe (szoki), ale ich przyspieszenie może również częściowo być udziałem towarzyszących im rozbłysków słonecznych. CME powstałe w pobliżu środka tarczy Słońca (długości heliograficzne mniejsze niż 35◦) mają przy tym stosunkowo małe prędkości. W przypadku zdarzeń pochodzących z zakresu długości od 35◦ do 65◦ obserwuje się z kolei znaczny wzrost wszystkich rozważanych prędkości.

Z badań wynika prosta zależność: jeśli tylko maksymalna prędkość, prędkość CME i liczba Macha dla pikowego strumienia cząstek SEP są dobrze określone (co ma miejsce aż do odległości równej około 10 promieniom słonecznym), to maksymalny strumień powiązanego z nimi zdarzenia SEP można łatwo oszacować na bazie uzyskanego przez autorów pracy modelu empirycznego. Zdarzenia związane z dyskiem i zachodnią częścią tarczy Słońca mogą wytwarzać najsilniejsze wyrzuty cząstek SEP w zakresie energii rzędu 10 MeV, ponieważ obszary te są magnetycznie silniej połączone z Ziemią na skutek ruchu obrotowego Ziemi i Słońca. Natomiast rozbłyski słoneczne i emisje energetycznych cząstek SEP są dosyć słabo skorelowane. Wynik ten również wspiera hipotezę, zgodnie z którą to szoki napędzane koronalnymi wyrzutami masy są lepszymi wskaźnikami prześpieszania SEP.

Ilustracja 2. Wykres rozkładu maksimów strumieni SEP w trzech pasmach energii (> 10 MeV (kolor czerwony), > 50 MeV (niebieski) i > 100 MeV (zielony)) w funkcji odpowiednich prędkości CME (średnie prędkości - STEREO (panel a), maksymalne prędkości - STEREO (panel b), średnie prędkości - SOHO (panel c), maksymalne prędkości - SOHO (panel d)). Otwarte symbole reprezentują "zdarzenia dyskowe" (długości od -20 < L < 45), podczas gdy zamknięte - "zdarzenie zachodnie" (L > 45). Widoczne jest też pojedyncze "zdarzenie wschodnie" z 31 sierpnia 2012 r. (l < -20; kolor żółty). To jedyne zdarzenie zarejestrowane przez sondę STEREO-B, jakie analizowano w omawianych badaniach - ze względu na jego wysoką jakość pomiarów. Linie ciągłe to liniowe dopasowania modelu do punktów obserwacyjnych. Źródło: Publikacja zespołu.

Oryginalna publikacja: Ravishankar, A., & Michałek, G., Non-interacting coronal mass ejections and solar energetic particles near the quadrature configuration of Solar TErrestrial RElations Observatory , A&A, 638, A42, June 2020.

Opisane wyniki są częścią badań prowadzonych w Zakładzie Astrofizyki Wysokich Energii Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Jagiellońskiego. Zostały uzyskane przy finansowym wsparciu Narodowego Centrum Nauki w ramach grantów UMO-2017/25/B/ST9/00536 i DSC N17/MNS/000038.

Kontakt:

Anitha Ravishankar
Obserwatorium Astronomiczne UJ
A.Ravishankar [at] oa.uj.edu.pl