Μελέτη ηλιακών εκρηκτικών φαινομένων με μετρήσεις από δορυφόρους και επίγειους σταθμούς

Abstract

In this thesis, we study the interplanetary coronal mass ejections (ICMEs) that occurred in the region near Earth, during the solar cycle 23. ICMEs which are the interplanetary signatures of the coronal mass ejections (CMEs) of the Sun, are of the most important events taking place in the interplanetary medium and can affect in different ways the Earth and the human existence and activity, with their interaction with the Earth's magnetosphere. The solar cycle 23, which is the last completed solar cycle (1996-2008) is special and important in many aspects, not only because of its peculiarity, but also because during this solar cycle we have huge amounts of data, that we can study. Moreover, since this particular cycle CMEs began to be consistently recorded. In the first chapter, we refer to some theoretical and historical information about the Sun and its characteristics.In the second chapter, we analyze the basic characteristics of CMEs and their interplanetary signatures (ICMEs). We mention their typical creation models, the ways in which they may be monitored, various phenomena which they can be associated with and their main impacts on space weather. In the third chapter, we create a new catalogue of ICMEs, which we identified in the region near the Earth during the solar cycle 23, via in-situ data. In each event we identify the boundaries of the main core of the ICME and its sheath and indicate whether or not they are accompanied by a shock wave. We study their occurrence rates during the solar cycle, and occurrence rates of CMEs observed on the Sun. We compare our results with other published catalogues. In the fourth chapter we study the possible correlations between ICME and sheath parameters. We study the : magnetic field strength, speed, proton density and temperature, plasma beta, duration and radial width. We present the most important scatter plots and calculate the linear correlation coefficients. In the fifth chapter we create typical profiles of the ICME parameters by applying superposed epoch analysis. We also study the reaction of the Earth's magnetic field with the Dst index. The events have been divided into different categories in relevance to the existence of a shock and the phase of solar cycle 23 in which they are observed. In the sixth chapter we analyze the temporal evolution of characteristic ICME during solar cycle 23 in order to reveal possible correlations and repeating patterns. In the seventh chapter we statistically study the identified ICMEs and derive their typical characteristics and distribution histograms, as well as, of their sheaths and background, during solar cycle 23. We compare our results with other published articles. In the eighth chapter we perform statistical analysis on the 12 different categories in which we separated our events and compare them to each other, in order to reveal possible patterns. In the ninth chapter we summarize the main results of the thesis and suggest ideas on new studies that can be performed in the future.

Στην παρούσα διατριβή, μελετάμε τις διαπλανητικές στεμματικές εκροές μάζας (ICMEs) που εμφανίστηκαν στην περιοχή κοντά στη Γη κατά την διάρκεια του ηλιακού κύκλου 23. Οι ICMEs που είναι οι διαπλανητικές υπογραφές των στεμματικών εκροών μάζας (CMEs) που πραγματοποιούνται στον Ήλιο, είναι ένα από τα σημαντικότερα γεγονότα του διαπλανητικού χώρου και μπορούν με την αλληλεπίδρασή τους με τη γήινη μαγνητόσφαιρα να επηρεάσουν με διάφορους τρόπους τη Γη και σε επέκταση και την ανθρώπινη ύπαρξη και δραστηριότητα. Ο ηλιακός κύκλος 23, που είναι ο τελευταίος ολοκληρωμένος ηλιακός κύκλος (1996-2008) είναι από πολλές απόψεις ιδιαίτερος και σημαντικός, όχι μόνο εξαιτίας των ιδιαιτεροτήτων που παρουσίασε, αλλά επιπλέον επειδή από τον συγκεκριμένο κύκλο και εξής έχουμε τεράστιο όγκο δεδομένων, που μπορούμε να επεξεργαστούμε και να μελετήσουμε. Επιπλέον, από τον συγκεκριμένο κύκλο άρχισαν να καταγράφονται με συνέπεια και οι CMEs, οπότε μπορούμε να έχουμε μία ολοκληρωμένη εικόνα. Η διατριβή αυτή αποτελείται από εννέα κεφάλαια, την βιβλιογραφία και λίστα δημοσιεύσεων. Στο πρώτο κεφάλαιο, αναφέρονται κάποια θεωρητικά και ιστορικά στοιχεία σχετικά με τον Ήλιο και τα χαρακτηριστικά του. Στο δεύτερο κεφάλαιο, αναλύονται τα βασικά χαρακτηριστικά των CMEs και των διαπλανητικών υπογραφών τους (ICMEs). Αναφέρονται τα τυπικότερα μοντέλα δημιουργίας τους, οι τρόποι με τους οποίους μπορούν να παρατηρηθούν, διάφορα φαινόμενα με τα οποία μπορούν να συσχετιστούν και οι κύριες επιπτώσεις τους στο διαστημικό καιρό. Στο τρίτο κεφάλαιο, δημιουργείται ένας νέος κατάλογος ICMEs, που αναγνωρίσαμε με επιτόπιες μετρήσεις στην περιοχή κοντά στη Γη, κατά τη διάρκεια του ηλιακού κύκλου 23. Σε κάθε περίπτωση, πραγματοποιείται οριοθέτηση της κάθε ICME και της θήκης της και επισημαίνεται αν συνοδεύεται από κρουστικό κύμα ή όχι. Μελετώνται οι κατανομές της συχνότητας εμφάνισης τους, σε σχέση με τον ηλιακό κύκλο, καθώς και οι κατανομές των CMEs, όπως παρατηρήθηκαν στον Ήλιο. Πραγματοποιείται σύγκριση με άλλους δημοσιευμένους καταλόγους. Στο τέταρτο κεφάλαιο μελετάται η πιθανή συσχέτιση των διαφόρων παραμέτρων των ICMEs και θηκών μεταξύ τους. Μελετώνται οι παράμετροι: ένταση μαγνητικού πεδίου, ταχύτητα, πυκνότητα πρωτονίων, θερμοκρασία πρωτονίων, παράμετρος βήτα πλάσματος ,διάρκεια και ακτινικό μέγεθος. Παρατίθενται τα σημαντικότερα διαγράμματα διασποράς και υπολογίζονται οι συντελεστές συσχέτισης που υποδεικνύουν την ισχυρότερη γραμμική συσχέτιση. Στο πέμπτο κεφάλαιο δημιουργούνται οι τυπικές απεικονίσεις της χρονικής εξέλιξης των παραμέτρων των ICMEs με εφαρμογή της ανάλυσης της υπέρθεσης των εποχών. Επίσης, μελετάται και η αντίδραση του γήινου μαγνητικού πεδίου με τη βοήθεια του δείκτη Dst. Ερευνώνται διαφοροποιημένες απεικονίσεις χρονικής εξέλιξης των παραμέτρων, ανάλογα με την περίοδο εμφάνισης των ICMEs στον ηλιακό κύκλο και με την ύπαρξη ή όχι κρουστικού κύματος. Στο έκτο κεφάλαιο αναλύεται η χρονική εξέλιξη και συμπεριφορά χαρακτηριστικών παραμέτρων των ICMEs μέσα στον ηλιακό κύκλο 23. Η μελέτη των παραμέτρων πραγματοποιείται με τρεις διαφορετικούς τρόπους, ώστε να αποκαλυφθούν πιθανοί συσχετισμοί και επαναλαμβανόμενα μοτίβα. Στο έβδομο κεφάλαιο μελετώνται στατιστικά οι αναγνωρισμένες ICMEs του καταλόγου μας και εξάγονται τα τυπικά στοιχεία των παραμέτρων τους, καθώς και των αντίστοιχων θηκών και υποβάθρου, κατά τον ηλιακό κύκλο 23, ενώ πραγματοποιείται σύγκριση των αποτελεσμάτων με άλλες έρευνες. Απεικονίζονται τα ιστογράμματα των κατανομών χαρακτηριστικών παραμέτρων τους. Στο όγδοο κεφάλαιο διαχωρίζονται τα αναγνωρισμένα γεγονότα σε υποκατηγορίες, ανάλογα με τον αν συνοδεύονται ή όχι από κρουστικό κύμα, καθώς και την χρονική περίοδο του ηλιακού κύκλου στην οποία εμφανίστηκαν. Πραγματοποιείται στατιστική ανάλυση των υποκατηγοριών, ώστε να επιτευχθεί σύγκριση μεταξύ τους και να αποκαλυφθούν πιθανές τάσεις. Στο ένατο κεφάλαιο αναφέρονται συνοπτικά τα σημαντικότερα αποτελέσματα της διατριβής και προτείνονται ιδέες σχετικά με νέες μελέτες που μπορούν να πραγματοποιηθούν στο μέλλον.