Magnetic structure and geoeffectiveness of coronal mass ejections

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2804-1
Title: Magnetic structure and geoeffectiveness of coronal mass ejections
Author: Palmerio, Erika
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science
Doctoral Programme in Particle Physics and Universe Sciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2019-09-20
Belongs to series: Report Series in Physics
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2804-1
http://hdl.handle.net/10138/305145
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The Sun, besides being fundamental for life on Earth, is also characterised by intense activity and magnetism. Such activity manifests often in the form of eruptions, that can consist of large amounts of plasma and magnetic flux that are ejected into interplanetary space. These phenomena are known as coronal mass ejections (CMEs). CMEs may impact Earth and harm the performance and reliability of space- and ground-based technological systems, such as satellites in orbit, power grids, and systems utilising navigation and positioning applications. The increased radiation that follows a CME eruption can endanger the health of astronauts involved in space missions. The effects of solar activity on Earth are called collectively "space weather". The ability of a CME to drive space weather effects on Earth (or "geoeffectiveness") depends on its internal magnetic structure, morphology, and speed. The magnetic structure of a CME is often described with a flux rope morphology, that is a helical magnetic tube whose magnetic field can be divided into two main components: the axial field, which runs through the centre of the tube, and the helical field, which wraps around the tube. In this thesis, the magnetic structure of CMEs and their geoeffectiveness at 1 AU are investigated using a combination of observational and modelling techniques. The magnetic structure of flux ropes at the time of eruption can be inferred from multiwavelength remote-sensing observations of the CME source region, by taking into account features as coronal loops, filaments, flare ribbons, and photospheric structures. However, the results of the analysis show that the magnetic structure of such flux ropes may differ significantly when measured at 1 AU, i.e. around Earth’s orbit. This is because CMEs can experience dramatic evolution after lifting off from the Sun, e.g. through deflections, rotations, and deformations. The results presented in this thesis highlight that CME evolution is an important factor to take into account in numerical models and in space weather forecasting. Furthermore, the turbulent sheath regions that often travel ahead of CMEs may contain geoeffective components. Another aspect that contributes to making CME forecasting a challenging task is represented by those CMEs whose impact is less "obvious," e.g., because they are not entirely Earth-directed or because their signatures are unclear in remote-sensing data. During periods of significant solar activity there can be multiple CMEs launched from the same or nearby source regions. This thesis utilises recent multi-instrument observations from different vantage points to analyse periods of successive CME eruptions and their possible interactions in the corona and inner heliosphere. Magnetohydrodynamic modelling of CME propagation is also used, especially for problematic CMEs and multi-eruption periods, to provide a global heliospheric context necessary to interpret the multi-spacecraft observations. This thesis thus contributes to the improvement of our current understanding of CME evolution and space weather forecasting. Its results can be used as inputs, validation, and refinement for space weather forecasting tools and their modelling results. Finally, its comprehensive Sun–to–1 AU approach to analyse periods of enhanced eruptive activity and the subsequent heliospheric evolution of multiple CME events emphasises the importance of combining observations from multiple vantage points and heliospheric modelling for making progress in space weather forecasting.Koronan massapurkaukset (englanniksi Coronal Mass Ejections, CMEs) ovat Auringon koronasta purkautuvia suuria pilviä, jotka sisältävät valtavia määriä plasmaa ja magneettikenttää. CME:t voivat osua Maahan ja ne ovat kaikkein tehokkaimpia myrskyjen ajajia Maan lähiavaruudessa. Magneettisen myrskyn aikana teknologisten systeemien toimintakyky ja -varmuus niin avaruudessa kuin Maassa voi merkittävästi häiriintyä. Lisäksi lisääntynyt säteily voi vaarantaa avaruuslennoilla olevien astronauttien terveyden. CME:iden kyky aiheuttaa magneettisia myrskyjä (tai "geoefektiivisyys") riippuu niiden magneettisesta rakenteesta, muodosta, ja nopeudesta. CME:t kuvataan usein magneettisiksi "vuoköysiksi", joiden magneettikentän voidaan katsoa koostuvan kahdesta pääkomponentista: vuoköyden akselin suuntaisesta pitkittäisestä kentän komponentista ja sitä kohtisuorassa olevasta vuoköyden akselin ympärille kiertyvästä komponentista. Tässä väitöskirjassa tutkitaan CME:iden magneettista rakennetta ja geoefektiivisyyttä Maan kiertoradan etäisyydellä Auringosta käyttämällä sekä havaintoja että mallinnusta. Vuoköyden magneettinen rakenne purkauksen aikana voidaan päätellä yhdistämällä usean aallonpituuden kaukohavaintoja CME:n lähdealueesta Auringossa, mm. tarkastelemalla koronan kaaria, filamentteja, roihunauhoja ja fotosfäärin rakenteita. Väitöskirjassa suoritettu analyysi osoittaa kuitenkin, että aurinkohavainnoista päätelty vuoköyden rakenne poikkeaa usein merkittävästi Maan kiertoradalla havaitusta rakenteesta. Tämä johtuu CME:n merkittävästä kehityksestä planeettainvälisessä avaruudessa sen purkautumisen jälkeen, esimerkiksi CME:n kulkusuunnan muutoksista, pyörimisestä ja rakenteen muutoksista. Lisäksi haasteellisia avaruussääennustamiselle ovat ne purkaukset, joiden törmäys Maahan ei ole selvää aurinkohavaintojen perusteella. Näitä ovat mm. CME:t jotka eivät etene suoraan Maata kohti ja jotka ovat epäselviä kaukohavainnoissa. Myös CME:n edellään ajama turbulentti sheath-alue voi aiheuttaa magneettisia myrskyjä. Väitöskirjassa analysoitiin säännöllisiä suuren mittakaavan magneettisia rakenteita sheath-alueissa ja saadut tulokset auttavat arvioimaan paremmin sheath-alueiden geoefektiivisyyttä. Korkean Auringon aktiivisuuden aikana useita CME:itä voi myös lähteä peräkkäin samasta lähdealueesta. Väitöskirjassa hyödynnetään uusimpia havaintoja laajalta aallonpituusalueelta ja useista havaintopisteistä analysoimaan peräkkäisiä CME-purkauksia ja niiden vuorovaikusta Auringon koronassa ja planeettainvälisessä avaruudessa. Tutkimuksessa käytettiin myös näiden ongelmallisten CME-tapausten analysoimiseen magnetohydrodynaamista heliosfäärin simulaatiota. Simulaatiot antavat globaalin kontekstin tulkita satelliittihavaintoja useista mittauspaikoista. Väitöskirjan tulokset painottavat CME:n kehityksen merkittävyyttä numeerisille malleille ja avaruusään ennustamiselle. Työn tuloksia voidaan käyttää alkuarvoina avaruussäämalleissa, sekä niiden validoimiseen, että kehittämiseen. Lisäksi työ korostaa useiden erilaisten havaintojen ja havaintopisteyden tärkeyttä avaruussääennustamiselle, varsinkin monimutkaisten ja vuorovaikuttavien CME:iden tapauksessa.
Subject: Physics
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
MAGNETIC.pdf 3.832Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record