我們如何知道CME是否朝向地球以及何時到達地球?

當太陽耀斑或絲噴發發生時,我們無法立即知道它是否引發了日冕物質拋射(CME)。即使日冕物質拋射到太空中,也不能保證它的目標是地球。在本文中,我們將向您展示用於確定太陽是否發射冠狀物質拋射,它是否朝向地球,以及何時可能到達的方法。

1. 使用質子通量監測儀

在我們的網站上,您會找到一個數據圖,顯示在地球附近測量到的 ≥10 MeV 太陽質子的數量。當太陽發生巨大爆炸時,可能會引發太陽輻射風暴。太陽質子被吹入太空,速度可能接近光速,尤其是在極端事件中。這些質子是最先抵達地球的粒子,因此太陽輻射風暴可能在太陽發生重大事件後迅速發展。這些太陽質子是一個很好的指標,顯示太陽爆發事件可能會將日冕物質拋射到太空中。儘管我們相當確信冠狀物質拋射已經進入太空,但這並不是確定日冕物質拋射是否指向地球的理想方法,因為這些粒子往往遵循行星際磁場:帕克螺旋。儘管相關的日冕物質拋射沒有指向地球的成分,但我們還是在地球上看到了太陽輻射風暴。這通常發生在太陽西側附近的事件,但在極少數情況下,甚至來自主要遠端太陽事件的質子也到達了地球。

太陽輻射暴

影像: 您可以在我們的網站上找到 ≥10 MeV 太陽質子圖的範例。此圖顯示了 2000 年 7 月 14 日發生重大 X5.7 太陽耀斑時,地球附近 ≥10 MeV 的太陽質子通量。我們可以看到耀斑開始後的32分鐘,即10:35 UTC開始,≥10 MeV太陽質子的數量急劇增加。很快就發展出了一場強烈的S3太陽輻射風暴。

2. 使用 SOHO 太陽和日冕觀測衛星/LASCO 大角度和光譜式日冕儀影像

確定日冕物質拋射是否朝向地球的最佳方式是利用LASCO 大角的光譜儀C2和C3拍攝的圖像,這些儀器位於SOHO(太陽和日球層觀測衛星) 太空船上。SOHO從地球的角度觀察太陽,因此可能朝向地球的日冕物質拋射可以輕鬆被識別出來。朝向地球的日冕物質拋射在遠離太陽的過程中會顯示為部分或完整的日冕物質拋射。請注意,SOHO的圖像並非即時的,通常需要等待數小時以獲得新的圖像,因此在確定日冕物質拋射是否有朝向地球的成分之前,通常需要一段時間。

下面我們有兩個很好的例子,展示了日冕物質拋射在來自 SOHO太陽和日球層觀測衛星/LASCO 大角度和光譜日冕儀套件的圖像外觀。左邊的動畫顯示了 SOHO/LASCO C2 儀器拍攝的日冕物質拋射,該拋射正在向北移動,沒有對地球產生影響。沒有光暈輪廓,所以我們可以很容易地得出結論,這個等離子雲不是指向地球的。然而,在右側,我們看到了 SOHO/LASCO C2 所看到的完整暈日冕物質拋射。日冕物質拋射的輪廓形成了一個完美的圓形,包圍著 LASCO 的整個視野。這意味著兩種可能性之一:等離子雲直接瞄準或遠離我們。

由SOHO太陽和日冕觀測衛星/LASCO大角度和光譜式日冕儀觀測到的日冕物質拋射(CME)全光環的CME日冕物質拋射

如果我們不確定 LASCO 大角度和光譜日冕儀影像中,偵測到的日冕物質拋射是否來自面向地球的太陽盤,可能是因為沒有明顯的噴發跡象,我們可以查看 STEREO(太陽與地球關係觀測站) 任務拍攝的影像。 STEREO 任務由兩艘太空船組成,分別命名為 STEREO Ahead 前置和 STEREO Behind 後置。 他們正在觀察太陽的背面。 STEREO 和 SOHO 太陽和日冕物質觀測衛星的影像,將為我們提供日冕物質拋射的 3D 模型,並告訴我們日冕物質拋射是朝向地球還是遠離地球。 SOHO 和 STEREO 任務的圖像可以在網站上找到。

透過使用 SOHO 太陽和日冕物質觀測衛星和 STEREO 太陽地球關係觀測衛星任務提供的所有影像,太空氣象科學家可以計算離開速度並設定日冕物質拋射的預計到達時間 (ETA)。在他們完成報告後,您可以訪問我們的網站,查看太陽風模型和 NOAA 美國國家海洋暨大氣總署 和SWPC 太空天氣預測中心的每日報告,以了解日冕物質拋射預計何時到達。 SpaceWeatherLive 團隊在重大事件期間也將提供分析報告。

3. 使用 SIDC 太陽活動資料中心Cactus 軟體

比利時太陽影響數據分析中心 (SIDC) 開發了 CACTUS 程序,代表電腦輔助 CME 日冕物質拋射追蹤。該程式會自動掃描來自 SOHO太陽和日冕物質觀測衛星/LASCO 大角度和光譜日冕儀的影像,以確定日冕物質拋射是否可能沖擊地球。它會顯示日冕物質拋射是暈日冕物質拋射還是部分暈日冕物質拋射,並且還確定日冕物質拋射的升空速度,從而可以確定日冕物質拋射何時到達。

CACTUS CME 日冕物質拋射偵測

4. 使用 EPAM 電子、質子和α粒子監測器圖表

EPAM代表電子、質子和α粒子監測儀,是ACE先進成分探測衛星上的一個儀器,用於測量太陽風中釋放的電子和質子。這是一個非常有用的儀器,可以判斷日冕物質拋射是否朝向地球以及預計到達時間。我們將通過一些EPAM圖表來更清楚地說明。以下是一個EPAM圖表的示例,顯示了太陽耀斑發生數小時後的情況。

太陽耀斑發生後的 EPAM電子、質子和α粒子監測儀器圖表

太陽發生巨大爆炸時,電子和質子會從太陽噴發到太空中。這些電子和質子隨著太陽風的流動被推向太空。在發生產生日冕物質抛射事件的同時,EPAM電子、質子和α粒子監測器的圖表會顯示低能電子的增加,標誌著耀斑的開始。低能質子圖也將呈現穩定上升的趨勢。這就知道某部分的日冕物質抛射是朝著地球方向的。如果我們將所有信息綜合起來,知道日冕物質抛射正朝地球而來... 還有一個關鍵問題:日冕物質抛射將在何時到達?

日冕拋射物質需要多久時間才會到達?

一旦我們知道日冕物質抛射的速度,我們就能夠確定它可能何時到達。透過下表,您可以確定日冕物質抛射從太陽到達地球需要多長時間,假設它在途中不減速。下面列出的時間僅供參考。日冕物質抛射往往會比預計到達時間提早或推遲,有時差距可能達到6小時或更長!

日冕拋射物質速度 (公里/秒) 傳播時間 (小時) 天數 時數
300 138,88 5 18.88
400 104,16 4 8,16
500 83.33 3 11.33
600 69.44 2 21.44
700 59.52 2 11.52
800 52.08 2 4.08
900 46.30 1 22.30
1000 41.67 1 17.67
1100 37.88 1 13.88
1200 34.72 1 10.72
1300 32.05 1 8.05
1400 29.76 1 5.76
1500 27.78 1 3.78
1600 26.04 1 2.04
1700 24.51 1 0.51
1800 23.15 0 23.15
1900 21.93 0 21.93
2000 20.83 0 20.83
2100 19.84 0 19.84
2200 18.94 0 18.94

利用EPAM電子、質子和阿爾法監測器來確定影響。

一旦發射了日冕物質抛射並確定其朝向地球,我們唯一能做的就是等待並觀察EPAM能量粒子和輻射環境模組圖。大多數日冕物質抛射在等離子雲前方形成一個震波,這加速了質子,我們可以借助ACE先進成分探測器上的EPAM儀器進行測量。我們將看到質子圖在日冕物質抛射到達之前不斷上升。圖中的第一次上升(就在太陽耀斑之後) 被稱為“開始”階段。隨著日冕物質抛射的靠近,它會慢慢上升(加速階段)。在實際到達地球之前的幾個小時,會發生一次新的更快速的上升,這表明日冕物質抛射即將到來。當EPAM圖到達頂峰時,表示日冕物質抛射已經到達DSCOVR深太空氣候天文台衛星。太陽風和星際磁場數據現在應該清楚地顯示日冕物質抛射已經到達。在日冕物質抛射到達後,你會看到質子水平逐漸下降至正常值...... 除非發生另一次日冕物質拋射並朝向地球前進。下面的圖像顯示了EPAM圖的一個示例,你可以清楚地看到不同的階段。請注意,慢而較弱的日冕物質抛射有時不會在其前方形成震波。這些很難或無法在EPAM上觀察到!

EPAM電子、質子和α粒子監測儀器

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