Παρακολούθηση διαστημικού καιρού: διαμόρφωση της κοσμικής ακτινοβολίας από μεγάλου εύρους εκτινάξεις στεμματικού υλικού

Abstract

During this PhD research the interplanetary coronal mass ejections which are the main cause of the intense geomagnetic storms with effects in satellites, in electrical power networks, aviation, astronauts in orbit etc. were studied. In particular, a database of 266 ICMEs covering Solar Cycle 23 (1996-2009) has been established using LASCO/SOHO coronagraph data combined with in situ data from ACE. Specifically, we determine in 51 columns the characteristics concerning the CME which is responsible for the upcoming ICME and the associated solar flare, the initial/background solar wind plasma and magnetic field conditions before the arrival of the CME, the conditions in the sheath of the ICME, the main part of the ICME, the geomagnetic conditions of the ICME’s impact at Earth and finally some remarks on the visual examination of each event. From this research important results revealed as the north–south asymmetry for X-class solar flares and an east–west asymmetry for CMEs associated with strong solar flares (magnitude > M1.0) which finally triggered intense geomagnetic storms (Ap > 179). A model for the arrival time of the shock which leads the ICME as a tool for space weather forecasting was also developed. Data from the new ICMEs database used in order to create a new formula of CME-index (Pi-index) taking into account for the first time ICME data. This new Pi-index improved the empirical models of cosmic ray modulation and as a result the minima between the observed CR intensity and the calculated by the model coincide with RMSD value less than 8%. Based on these results we produced daily Report of Space Weather Forecasting giving information about the conditions of solar wind and the interplanetary medium is issued. This report contains also the estimation of Ap geomagnetic index for the next three days and the possible geomagnetic storm levels, in the case that we are expecting a storm. The results of this Ph.D. dissertation contribute to the reliable and timely forecasting of the space weather conditions.

Κατά την παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκαν οι διαπλανητικές στεμματικές εκτινάξεις μάζας (ICMEs) οι οποίες με την άφιξή τους στην Γη μπορούν να προκαλέσουν ισχυρές γεωμαγνητικές καταιγίδες με σοβαρές επιπτώσεις σε αρκετούς τομείς, όπως είναι οι τηλεπικοινωνίες, τα συστήματα δορυφόρων, οι αγωγοί μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και η υγεία πληρωμάτων και επιβατών αεροσκαφών τα οποία κινούνται σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη αλλά και αστροναυτών που βρίσκονται σε τροχιά. Συγκεκριμένα, δημιουργήθηκε μία σημαντική βάση δεδομένων από 266 διαπλανητικές στεμματικές εκτινάξεις μάζας καλύπτοντας τον 23ο ηλιακό κύκλο (1996-2009) και χρησιμοποιώντας δεδομένα από τον στεμματογράφο LASCO/SOHO και in situ δεδομένα από την αποστολή ACE. Για κάθε ένα γεγονός παρέχονται όλες οι δυνατές πληροφορίες σε συνολικά 51 στήλες που σχετίζονται με την CME η οποία προκάλεσε την ICME καθώς επίσης και την ηλιακή έκλαμψη (αν σχετίζεται με την εμφάνιση ηλιακής έκλαμψης). Περιγράφονται επίσης οι συνθήκες που επικρατούν στον διαπλανητικό χώρο (σχετικά με το πλάσμα του ηλιακού ανέμου και τα μαγνητικά πεδία) μερικές ώρες πριν την άφιξη της ICME, τα κινηματικά χαρακτηριστικά της ICME καθώς και του χώρου μεταξύ κρουστικού κύματος και ICME (sheath), οι συνθήκες που επικρατούν εντός των ορίων της ICME και τέλος οι γεωμαγνητικές συνθήκες όπως διαμορφώθηκαν από την άφιξη της ICME στην Γη. Από την επεξεργασία των δεδομένων αυτών προέκυψαν σημαντικά αποτελέσματα, όπως η ασυμμετρία μεταξύ γεγονότων που προέρχονται από το βόρειο και το νότιο ημισφαίριο του ηλίου και σχετίζονται με ισχυρές ηλιακές εκλάμψεις κατηγορίας X-class, καθώς και ασυμμετρία μεταξύ ανατολικού και δυτικού τμήματος του ηλιακού δίσκου για γεγονότα τα οποία προκάλεσαν ισχυρές γεωμαγνητικές καταιγίδες. Επίσης, αναπτύχθηκαν μοντέλα τα οποία αφορούν τον χρόνο άφιξης του κρουστικού κύματος προερχόμενου από μία ICME με σκοπό την έγκυρη και έγκαιρη πρόβλεψη των γεωμαγνητικών καταιγίδων που μπορεί να προκληθούν. Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα από την βάση αυτή των ICMEs που αναφέραμε νωρίτερα διαμορφώθηκε ένας ολοκληρωμένος δείκτης των στεμματικών εκτινάξεων μάζας (Pi-index) ο οποίος συνέβαλε στην καλύτερη προσέγγιση των μοντέλων διαμόρφωσης της έντασης της Κοσμικής Ακτινοβολίας που καταγράφεται στους μετρητές νετρονίων, όπως αυτός του Πανεπιστημίου της Αθήνας με αποτέλεσμα την ταύτιση για πρώτη φορά των ελαχίστων της έντασης της Κοσμικής Ακτινοβολίας μεταξύ πραγματικών και πειραματικών τιμών από το μοντέλο με RMSD μικρότερη του 8%. Τα αποτελέσματα και η εμπειρία που αποκτήθηκε από την μελέτη αυτή χρησιμοποιείται στην καθημερινή παρακολούθηση των φυσικών συνθηκών που επικρατούν στον διαπλανητικό χώρο χρησιμοποιώντας πλήθος δεδομένων από δορυφόρους και επίγειους μετρητές με την έκδοση του ημερήσιου δελτίου πρόγνωσης του Διαστημικού καιρού από το Κέντρο Πρόγνωσης Διαστημικού Καιρού της Ομάδας Κοσμικής Ακτινοβολίας της Αθήνας παρέχοντας πληροφορίες για τις φυσικές συνθήκες που επικρατούν στον διαπλανητικό χώρο καθώς και για τις πιθανές γεωμαγνητικές καταιγίδες δίνοντας ταυτόχρονα μια εκτίμηση των τιμών του γεωμαγνητικού δείκτη Ap για τρεις ημέρες. Τα συμπεράσματα της διατριβής συμβάλλουν ουσιαστικά στο ανοικτό και επίκαιρο θέμα της έγκυρης και έγκαιρης πρόβλεψης των συνθηκών του διαστημικού καιρού.