Forecast of geomagnetic storm based on CME parameters

국문 초록 (Abstract)

우주환경이란 우주 또는 지상에 있는 현대 최첨단 시설 및 장비의 운용과 정확도에 영향을 주며 때로는 인간의 건강과 삶을 위협하는 우주공간의 환경변화를 뜻한다. 코로나물질방출(CME)은 지자기폭풍을 일으키는 주된 현상으로서 우주환경예보에 있어 매우 중요하다. 특히 CME 발생 직후 관측되는 물리인자를 이용한 우주환경예보는 실제 지자기폭풍이 발생하기 2~3일 전에 예고함으로써 피해에 대비할 시간적 여유를 줄 수 있다는 점에서 더더욱 그 의미가 크다.
본 연구에서는 CME를 이용한 지자기폭풍 예보모델을 개발하기 위하여 먼저 CME가 발생한 태양활동영역의 위치(경도, L)와 자기장방향(M), 그리고 방출된 CME의 속도(V)와 지구방향인자(Earthward direction parameter, D) 등 네 개의 초기 관측인자에 대하여 지자기폭풍 발생여부 및 그 강도와의 상관관계를 조사하였다. 1997년부터 2003년까지 발생한 CME를 살펴본 결과 다음과 같은 사실을 알 수 있다. (1) 태양의 앞면에서 발생한 헤일로 CME 중 약 40%가 지자기폭풍을 일으킨다. (2) 속도가 느린 CME의 경우(V ≤ 800 km s-1)에는 0° < L ≤ 30°에서 발생한 CME가 지구에 영향을 줄 확률이 높았으며 속도가 빨라짐에 따라 (V > 800 km s-1) 지구에 영향을 줄 수 있는 CME 발생지역은 -30° < L ≤ 60°로 더 넓게 분포한다. 또한 CME의 지구방향인자가 0.4 이상으로 (D ≥ 0.4) 지구 방향으로 CME가 방출되어 나올 때 지자기폭풍의 발생 확률과 예상되는 세기는 더욱 커진다. (3) CME 방출영역의 자기장방향이 N극 방향임에도 불구하고 강한 지자기폭풍(Dst ≤ -100 nT)을 일으킨 경우는 모두 CME의 지구방향인자가 0.6 이상이다(D ≥ 0.6).
우리는 위와 같은 결과를 이용하여 CME가 지구에 영향을 줄 것인지 예보하고 그 결과를 통계적인 방법으로 평가하였으며 CME 물리인자에 따른 지자기폭풍 발생 확률도(probability map)를 제안하였다. 또한 지자기폭풍의 세기(Dst index의 최소값)를 예보하는데 적용하여 지자기폭풍 예보를 위한 경험모델을 개발하였다.
이 개발과정에서 다음과 같은 연구결과를 고려하였다. 첫째, CME의 지구방향인자가 지자기폭풍과 가장 좋은 관계를 갖는다. 둘째, 태양면에서의 CME 발생 경도는 서쪽으로 15°의 오프셋을 주었을 때 지자기폭풍과 가장 좋은 상관관계를 갖는다. 셋째, CME 발생지역의 자기장방향은 지자기폭풍의 세기와 선형 관계를 보이지 않기 때문에 태양활동 영역의 자기장 방향을 S극과 N극 두 그룹으로 나누어서 각각 예보하는 것이 더 좋은 결과를 보여 준다. CME 물리인자를 바탕으로 지자기폭풍예보 경험모델은 CME의 자기장 방향에 따라 다음과 같다. 즉 (1) S극 자기장 특성을 갖는 CME에 대하여 Dst (nT)=161―33×L―195×V―329×D, (2) N극 자기장 특성을 갖는 CME에 대하여 Dst (nT)=52―45×L―45×V―205×D로 표현된다.
위 경험모델을 이용한 지자기폭풍 예보는 CME 물리인자의 범위만을 이용한 예보보다 더 나은 예보능력을 보여준다. 본 연구를 통해 개발된 CME의 물리인자를 이용한 지자기폭풍 경험예보모델은 향후 실시간 우주환경 예보에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Space weather is the concept of changing environmental conditions in outer space that can influence the performance and reliability of space-borne and ground-based technological systems and can endanger human life or health. In respect of the space weather forecast, the CME is one of the most important events that could trigger geomagnetic storm. Even though only a small portion of the CMEs result in the geomagnetic storms, space weather forecast with initially observed CME parameters at the Sun would be very meaningful in that they allow us to make an earlier warning 2~3 days in advance. To develop an empirical geomagnetic storm prediction model, we examine the geoeffectiveness of the CME properties, such as the source location (L), initial speed (V), earthward direction (D), and magnetic field orientation of CME source region. For this, we select halo CME-Dst pairs from 1997 to 2003 and determine whether the CMEs are geoeffective or not.
From this study we find that: (1) the total probability of geoeffectiveness for front-side halo CMEs is about 40%; (2) the most probable criteria whose geoeffectiveness fraction is larger than the mean probability (40%), are 0° < L ≤ 30° for slower speed CMEs (V ≤ 800 km s-1), and -30° < L ≤ 60° for faster CMEs (V > 800 km s-1) or larger direction parameter than 0.4 (D ≥ 0.4); (3) CMEs causing strong geomagnetic storms (Dst ≤ -100 nT), in spite of their northward magnetic field orientation, have large direction parameters (D ≥ 0.6). We make the forecast evaluations of geoeffective CMEs by using above criteria and present the statistical parameters of evaluations as well as the probability maps of CME geoeffectiveness depending on the CME parameters.
Above results are applied to predict the geomagnetic storm strength (Dst minimum) by using only CME parameters. To derive the empirical geomagnetic storm prediction model, we consider that: (1) the direction parameter has the best correlation with the storm strength; (2) west 15° offset from the central meridian gives the best correlation between the source location and the storm strength; (3) consideration of two groups of CMEs according to their magnetic field orientation (southward or northward) provides better forecast. As the result, we suggest two empirical formulae, Dst (nT)=161―33×L―195×V―329×D and Dst (nT)=52―45×L―45×V―205×D, for the southward and for the northward orientation, respectively. The forecast evaluation based on these formulae results that the capability of forecast is better than those by using the criteria of the CME parameters. This model can be directly utilized for practical forecasts of geomagnetic storms.

목차 (Table of Contents)

• 1. INTRODUCTION 1
• 1.1. Space weather and geomagnetic storm 2
• 1.2. Relationship between CME and geomagnetic storm 4
• 1.3. Motivation and overview 10
• 2. FORECAST EVALUATION OF THE CME GEOEFFECTIVENESS USING HALO CMES FROM 1997 TO 2003 11
• 2.1. Introduction 14
• 2.2. Data and methodology 17
• 2.3. Forecast evaluation 31
• 2.4. Conclusion 44
• 3. CME EARTHWARD DIRECTION AS AN IMPORTANT
• GEOEFFECTIVENESS INDICATOR 49
• 3.1. Introduction 51
• 3.2. Earthward direction parameter 54
• 3.3. Geoeffectiveness of direction parameter 61
• 3.4. Forecast evaluation with direction parameter 70
• 3.5. Conclusion 77
• 4. EMPIRICAL MODEL FOR PREDICTION OF GEOMAGNETIC STORMS WITH INITIALLY OBSERVED CME PARAMETERS 81
• 4.1. Introduction 83
• 4.2. Data and methodology 86
• 4.3. Geoeffectiveness of each parameter 88
• 4.4. Storm prediction model 98
• 4.5. Conclusion 103
• 5. SUMMARY AND DISCUSSION 107
• REFERENCES 113
• 국문초록 123