Astronomiczny Obiekt Miesiąca: Lipiec 2021

< poprzedni Archiwum następny >

Kinematyka koronalnych wyrzutów masy w polu widzenia LASCO

Dokładne zrozumienie mechanizmu propagacji koronalnych wyrzutów masy (coronal mass ejections, CME) ma kluczowe znaczenie w przewidywaniu pogody kosmicznej. CME generują burze geomagnetyczne, które mogą być niebezpieczne dla załóg statków kosmicznych, satelitów oraz infrastruktury technologicznej na Ziemi. Podstawowe parametry kinematyczne CME, prędkości i przyspieszenia, determinują ich geoefektywność oraz czas ich przelotu od Słońca do Ziemi. W omawianym artykule przeanalizowano trend zmienności tych parametrów w 23 i 24 cyklu słonecznym.

Pogoda kosmiczna jest kontrolowana głównie przez koronalne wyrzuty masy (CME), będące ogromnymi erupcjami namagnesowanej plazmy z atmosfery słonecznej. Zostały one szeroko zbadane pod kątem ich wpływu na Ziemię. Pierwszy CME został zarejestrował w 1971 roku przez koronograf umieszczony na pokładzie satelity Orbiting Solar Observatory (OSO-7). Od roku 1995 roku CME są intensywnie badane przy użyciu czułych koronografów LASCO znajdujących się na pokładzie statku kosmicznego SOHO -- Solar and Heliospheric Observatory . SOHO/LASCO do grudnia 2017 roku zarejestrowały około 30 000 zdarzeń CME. Podstawowe parametry CME są wyznaczane głównie manualnie na podstawie obrazów z LASCO. Obecnie największa baza danych o CME znajduje się w katalogu SOHO/LASCO. Prędkości początkowe CME, parametry uzyskane przez dopasowanie liniowe do punktów obserwacyjnych (odległość od Słońca-czas), są podstawowym parametrem stosowanym w przewidywaniu możliwego wpływu koronalnych wyrzutów masy na geomagnetyczne otoczenie Ziemi. Podobnie z dopasowania parabolicznego otrzymuje się przyspieszenie CME.

Wyznaczone w ten sposób parametry w pewnym sensie odzwierciedlają ich średnie wartości w polu widzenia koronografów LASCO. Jednak oczywiste jest, że oba te parametry zmieniają się w sposób ciągły wraz ze zmienną odległością CME. Zatem i stosowane w wielu badaniach średnie wartości prędkości i przyspieszenia nie dają nam dokładnego opisu propagacji CME w ośrodku międzyplanetarnym.

W nowym artykule przedstawiono statystyczną analizę tych kinematycznych parametrów dla 28894 CME zarejestrowanych przez LASCO od 1996 do połowy 2017 roku. Badania te obejmują dwa cykle słonecznej aktywności, cykl 23 i 24. Wykorzystano też nową technikę pozwalającą wyznaczać chwilowe wartości prędkości oraz przyspieszenia CME.

Z przeprowadzonej analizy wynika, że ekspansja CME zależy od kilku czynników: siły Lorentza (która przyspiesza CME), siły tarcia z ośrodkiem międzyplanetarnym (która spowalnia CME) praz losowej interakcji z innymi wyrzutami. Generalnie średnie przyspieszenia wyrzutów w polu widzenia koronografów LASCO są bliskie zeru. Jeżeli jednak wyznaczymy chwilowe wartości przyspieszeń to okazuje się, że mogą one osiągać wartości w bardzo szerokim zakresie. Chwilowe przyspieszenie zależy od tych trzech czynników opisanych wyżej. Na początku wyrzutu obserwujemy duże wartości przyspieszeń CME, jest to ekspansja zdominowana przez siłę Lorentza. Po tej fazie następuje równowaga siły napędzającej i siły tarcia. Wówczas przyspieszenie zanika lub obserwujemy słabą decelerację CME (przyspieszenie końcowa/resztkowe). W przeprowadzonych badaniach pokazano, że przyśpieszenie początkowe przyjmuje wartości z zakresu 0,24–2616 ms⁻², z medianą (odpowiednio: wartością średnią) 57 ms⁻² (ms⁻²) i zachodzi aż do odległości rzędu 28 R_SUN (promieni Słońca), z medianą (średnią) wynoszącą 7,8 R_SUN (6 R_SUN).

Warto zauważyć, że dominująca siła napędzająca koronalne wyrzuty masy, czyli siła Lorentza, może działać do odległości około 6 promieni Słońca licząc od Słońca, podczas pierwszych dwóch godzin propagacji wyrzutu. Znaleziono także wyraźną antykorelację pomiędzy wielkością przyspieszenia początkowego i czasem trwania tego przyspieszenia. Intrygującym odkryciem jest to, że przyspieszenie (deceleracja) końcowa okazuje się być znacznie mniejsze podczas 24 cyklu aktywności Słońca w porównaniu z cyklem 23. Cykl 24 nastąpił po bardzo długim okresie minimum aktywności słonecznej. W wyniku tego ośrodek międzyplanetarny stał się bardzo rzadki. Wybuchy mogły w nim swobodnie ekspandować, a siła tarcia była znacznie niższa w porównaniu z poprzednimi cyklami aktywności słonecznej. Badania wykazały również, że analizowane parametry, czyli przyspieszenie początkowe, przyspieszenie końcowe, prędkość maksymalna i czas prędkości maksymalnej, zdają się w dużej mierze podążać za cyklami słonecznymi i jednocześnie odzwierciedlać intensywność poszczególnych cykli.




Oryginalna publikacja: Kinematics of coronal mass ejections in the LASCO field of view, Ravishankar, A., Michałek, G., Yashiro, S., A&A, 639, A68, 2020.


Przedstawione wyniki są częścią badań prowadzonych w Zakładzie Astrofizyki Wysokich Energii Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie. Zostały uzyskane przy finansowym wsparciu Narodowego Centrum Nauki w ramach grantu UMO-2017/25/B/ST9/00536 i grantu DSC N17/MNS/000038. Uzyskały również wsparcie z projektu NASA LWS pod kierownictwem dr N. Gopalswamy.



Kontakt:

Grzegorz Michałek Obserwatorium Astronomiczne Uniwersytetu Jagiellońskiego G.Michalek [at] uj.edu.pl

Anitha Ravishankar Postdoctoral Associate University of Calgary, Canada