Корональные димминги и их связь с направлением корональных выбросов массы и восстановлением солнечной короны

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-22-00242

НазваниеКорональные димминги и их связь с направлением корональных выбросов массы и восстановлением солнечной короны

Руководитель Подладчикова Татьяна Владимировна, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий» , г Москва

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-703 - Солнце и Солнечная система

Ключевые слова Солнце, корональные выбросы массы, корональные димминги, солнечная активность, космическая погода

Код ГРНТИ41.21.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Корональные выбросы массы (КВМ), гигантские облака намагниченной плазмы, которые выбрасываются из короны Солнца в межпланетное пространство со скоростями от нескольких сотен до 3500 км/с, являются основным источником сильных геомагнитных бурь и последствий космической погоды на Земле, оказывающей существенное влияние на технику и биологические объекты космического и наземного базирования. Однако ранняя эволюция КВМ, в особенности направленных на Землю, плохо прослеживается с помощью традиционных коронографов, перекрывая солнечный диск на несколько его радиусов, и в целом определение свойств КВМ затруднено из-за ошибок проекции. Кроме того, на сегодняшний день нам доступны только два коронографа на борту спутников STEREO-A (Solar Terrestrial Relations Observatory) и SOHO (Solar and Heliospheric Observatory), а новые подобные миссии на борту с коронографами, ожидаются не раньше, чем через несколько лет. Наиболее заметными явлениями, непосредственно связанными с КВМ, в особенности направленными на Землю, являются корональные димминги - локальные области пониженного излучения в крайнем ультрафиолетовом (EUV) и мягком рентгеновском (SXR) диапазоне, которые формируются из-за потери массы и расширения КВМ в нижней короне Солнца. Наблюдения диммингов уникальны и имеют высокую научную значимость, поскольку они наблюдаются в течение полной эволюции КВМ на Солнце, начиная с фазы перед выбросом, и заканчивая восстановлением короны после события. Таким образом, в данном проекте планируется рассмотреть следующие актуальные вопросы: 1. Взаимосвязь между корональными диммингами и корональными выбросами массы (КВМ): как ранняя эволюция и морфология диммингов связана с направлением распространения КВМ? 2. Время жизни димминга: как и когда происходит восстановление солнечной короны после выброса КВМ, и как долго КВМ /магнитный поток еще связаны с Солнцем? Изучение корональных диммингов представляет актуальный интерес в особенности для детектирования КВМ, направленных на Землю, поскольку они дают информацию о возникновении и ранней эволюции КВМ еще до того, как событие будет наблюдаться коронографами на линии Солнце-Земля. Научная новизна поставленной задачи заключается в следующем: 1. Впервые будут предложены методы использования димминга как раннего индикатора направления КВМ. Будут разработаны подходы к поиску взаимосвязи между эволюцией и морфологией диммингов и КВМ, и будут разработаны методы определения направления распространения КВМ на раннем этапе его эволюции по результатам идентификации димминга. 2. В данном проекте впервые будут использоваться длительные наблюдения корональных диммингов (2-3 суток от времени начала КВМ) с разных точек обзора: на диске Солнца с помощью SDO (Solar Dynamics Observatory) и за солнечным лимбом с помощью STEREO для оценки процессов реконфигурации и восстановления короны после КВМ, а также как долго КВМ еще связаны с Солнцем. Впервые будет рассматриваться эволюция полного региона коронального димминга и его отдельных областей (первичные и вторичные димминги), имеющих различную природу образования.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Чикунова Г.П., Подладчикова Т.В.,Диссауэр. К., Верониг А.М., Думбович М., Теммер М., Диксон Е. Three-dimensional relation between coronal dimming, filament eruption, and CME Astronomy and Astrophysics, том 678, номер статьи A166, 14 стр. (год публикации - 2023)
10.1051/0004-6361/202347011

2. Джаин Ш., Подладчикова Т.,Чикунова Г., Диссауэр. К., Верониг А.М. Coronal dimmings as indicators of early CME propagation direction Astronomy and Astrophysics, 683, A15, 17 (год публикации - 2023)
10.1051/0004-6361/202347927

3. Ронка Г.М., Чикунова Г., Диссауэр К., Подладчикова Т., Верониг А.М. Recovery of coronal dimmings Astronomy and Astrophysics, 691, A195, 17 (год публикации - 2024)
10.1051/0004-6361/202347934

4. Подладчикова Т., Джаин Ш., Верониг А.М., Пурхарт C.. Чикунова Г., Диссауэр. К., Думбович М. Three-part structure of a solar coronal mass ejection observed in low coronal signatures of Solar Orbiter Astronomy and Astrophysics, 691, A344, 14 (год публикации - 2024)
10.1051/0004-6361/202451777

5. Джаин Ш., Подладчикова Т., Верониг А.М., Чикунока Г., Диссауэр. К., Думбович М., Разкин А. Estimating the early propagation direction of the coronal mass ejection with DIRECD during the severe event on May 8 and for the follow-up event on June 8, 2024 Astronomy and Astrophysics (год публикации - 2024)
10.1051/0004-6361/202452324

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В отчетном году в рамках исследовательского проекта, изучающего взаимосвязь между корональными диммингами и КВМ, были достигнуты значительные результаты, которые открывают новые перспективы для оценки направления распространения КВМ и понимания восстановления солнечной короны после выброса. 1. Показано, что метод DIRECD (Dimmg InfeRred Estimate of CME Direction) является эффективным инструментом для анализа ранних стадий распространения КВМ. DIRECD основывается на геометрической модели 3D конуса в конце импульсной фазы димминга, позволяя определить параметры выброса, такие как направление, угловая ширина и высота, на которой КВМ сохраняет связь с диммингом, оставляя следы в нижней EUV короне. Эти параметры определяются при условии, что проекции конуса на солнечной сфере соответствуют наблюдаемой геометрии димминга. Такой подход позволяет оценить направление распространения КВМ в 3D пространстве на основе 2D-изображений корональных диммингов в нижней EUV короне, что значительно углубляет понимание взаимосвязи между диммингами и КВМ и расширяет возможности применения диммингов для анализа характеристик распространения КВМ. 2. Метод DIRECD был успешно протестирован и усовершенствован для ряда событий, включая КВМ 8 мая 2024 г., вызвавшее экстремальную геомагнитную бурю, и КВМ 8 июня 2024 г. из того же активного региона (13664), а также проанализированы КВМ 28 марта 2022 г., наблюдавшиеся с трех спутников (Solar Orbiter, STEREO-A, SDO). В ходе этих исследований были оптимизированы критерии поиска параметров КВМ, при которых проекция конуса на солнечную сферу максимально близка к наблюдаемой геометрии димминга в конце его импульсной фазы. Для 8 мая 2024 г. были получены следующие параметры КВМ: ширина 69.28°, угол отклонения 7.7°, высота 0.81 Rsun. Для 8 июня 2024 г.: ширина 81°, угол наклона 15.7°, высота 0.89 Rsun. Для 28 марта 2022 г. до отклонения КВМ: ширина 42°, угол отклонения 6°, высота 1.12 Rsun. На примере последнего события было установлено, что связь между диммингом и расширением КВМ полностью определяется к концу импульной фазы димминга до отклонения эруптивного протуберанца и КВМ, а дальнейшая эволюция КВМ имеет само-подобный характер. 3. Выполнена валидация метода DIRECD на основе сравнения параметров конуса КВМ, полученных в нижней EUV короне и пузыря КВМ, наблюдаемого позже в коронографах в видимом свете. Было продемонстрировано, что экстраполяция конуса DIRECD на момент появления пузыря КВМ в коронографах приводит к совпадению конусной модели с наблюдаемой геометрией пузыря в коронографах. Эти результаты свидетельствуют о том, что метод DIRECD может не только связывать 2D димминг с 3D пузырем КВМ, но и улучшать оценки параметров КВМ, предоставляя всеобъемлющее представление об эволюции КВМ от низкой короны до более высоких областей гелиосферы. 4. Таким образом впервые были предложены методы использования димминга как раннего индикатора направления КВМ. Были разработаны и протестированы подходы к поиску взаимосвязи между эволюцией и морфологией диммингов и КВМ, а также методы определения направления распространения КВМ на раннем этапе его эволюции по результатам идентификации димминга. 5. Разработаны и протестированы методы анализа времени жизни корональных диммингов, что позволяет отслеживать процесс восстановления солнечной короны после КВМ. Предлагаемые методы включают использование фиксированной маски для анализа эволюции площади и яркости диммингов, минимизируя артефакты вращения, применение метода пиксельных областей для отслеживания динамики яркости отдельно первичных и вторичных диммингов, а также разработаны подходы для выявления взаимосвязи между корональными петлями и восстановлением интенсивности в диммингах, длительности восстановления короны и влияния последующих выбросов на этот процесс. 6. Анализ долгосрочной эволюции диммингов на основе трёхдневных спутниковых наблюдений (SDO, STEREO) для выбросов 6 сентября 2011 г., 7 марта 2012 г., 14 июня 2012 г. и 8 марта 2019 г. показал, что время восстановления диммингов не зависит напрямую от интенсивности или длительности вспышек, а также от параметров выброса. Различные области диммингов восстанавливаются по разным механизмам. Восстановление интенсивности и площади диммингов имеет двухступенчатый характер: первичные димминги быстро восстанавливаются, затем достигая плато, а периферийные вторичные области восстанавливаются в течение 24 часов. Особые случаи включают отсутствие восстановления вблизи полуоткрытых магнитных структур (14 июня 2012 г.) и появление ярких точек, указывающих на пополнение плазмы (7 марта 2012 г.), которая выходит и восстанавливается в пределах области димминга. 7. Предложен основной механизм восстановления солнечной короны после КВМ, связанный с расширением корональных петель, исходящих из активных регионов, наблюдаемый для каждого из событий. Эти петли расширяются как до, так и после вспышки, покрывая области димминга и увеличивая их интенсивность. Анализ по данным SDO/AIA подтвердил полное восстановление интенсивности благодаря таким петлям. Дополнительные наблюдения STEREO/EUVI продемонстрировали устойчивость корональных петель, которые сохраняются и расширяются после вспышек, что поддерживает идею стабильного процесса пересоединения в слоях короны, а не только высвобождения энергии от вспышки. После КВМ система петель временно разрывается, после чего начинается новый период расширения, продолжающийся около 24 часов. Анализ с использованием пиксельных областей подтвердил, что восстановление интенсивности в разных частях диммингов может быть связано с покрытиями петлями активных областей. Анализ процесса восстановления показал, как расширяющиеся петли активных областей после вспышки и периферийные петли покрывают область димминга, что приводит к увеличению интенсивности и восстановлению димминга.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта могут способствовать созданию сервиса космической погоды, обеспечивающего повышение безопасности космической деятельности, устойчивости наземных технологических систем и надежности критической инфраструктуры. Изучение корональных диммингов представляет актуальный интерес, особенно для детектирования корональных выбросов массы (КВМ), направленных к Земле, поскольку они дают информацию о возникновении и ранней эволюции КВМ еще до того, как событие будет наблюдаться коронографами на линии Солнце-Земля. Такой подход может стать основой для разработки технологий предупреждения и снижения рисков чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. Это может привести к созданию новых услуг и технологий, повышающих надежность спутниковых систем, энергетических сетей и средств связи, что в свою очередь будет способствовать экономическому росту и социальному развитию Российской Федерации.