Μελέτη κρουστικών κυμάτων στο ηλιακό στέμμα και το μεσοπλανητικό χώρο

Abstract

In this thesis I provide a detailed study of shock waves that are observed in solar corona and interplanetary space. In particular, I have mainly focused on the study of some of the shock waves characteristics such as their regions of origin, the determination of their driver, the calculation of their compression ratio, their kinematics and spatial characteristics during their propagation in the solar corona and interplanetary (IP) space. Furthermore, for a shock wave that was observed in both the low corona and IP space, I studied the role of its spatial evolution in relation to the release of solar energetic particles (SEPs) in different–widely-distributed observing points in heliosphere. Additionally, I studied the relative contribution of shock waves and solar flares on the properties of SEP events. For the implementation of this thesis I exploited a big amount of solar and innerheliosphere observations that are provided from space-born and ground-based instruments. The above-mentioned studies are key elements in our understanding of the physical processes and phenomena that are involved in the developement and evolution of coronal and IP shock waves in the heliosphere. Furthermore, they elucidate their nature and characteristics alongside with their capability to accelerate and release charged particles in open magnetic field lines in the heliosphere.The combined observations of SDO/ΑΙΑ in extreme ultraviolet with the high-resolution dynamic spectra from the ARTEMIS-IV radiospectrograph, allowed me to study the nature and the driver of the coronal shock wave that was responsible for the band-splitted type-II radio emission. It was found that the CME’s propagation and the non-linear evolution of the EUV wave in the low corona is responsible for the observed coronal shock wave. Additionally, the shock wave was found to be piston-driven in the first stages of its evolution and afterwards it results in ablast wave. In this study, I introduce a new method to calculate a compression-ratio proxy from the EUV images of AIA. From the comparison of the compression ratio from the type-II radio burst’s band split and the compression ratio proxy from the EUV images I found that the type-II radio burst could originate in the sheath region between the bubble and the EUV shock front, in both radial and lateral directions.Furthermore, I studied two homologous eruptive events that gave rise to a major SEP event observed at widely-separated (120◦ in the ecliptic plane) points in the heliosphere. With my analysis I mainly promoted the usefulness of the three-dimensional representation of a shock wave for the study of its spacial evolution in the inner heliosphere. Additionally, this study is a demonstration of the importance of shock waves for tracing the generation and distribution of energetic particles. From the three dimensional reconstruction of the shock wave that is related with the first CME, I studied its lateral expansion higher in the corona and I connected its longitudinal extent with the energetic proton and electron release times. I found that the SEP event that was observed in STEREO-B (STB) and the first Lagrange point (L1) was associated with the shock wave driven by the first CME that was initiated in activeregion 11429. Finally, I studied the relative role of CME-related shock waves and solar flares in the acceleration and release ofhigh-energySEP events. For the purposeofthis studyI studied selected properties of SEP events as inferred from their associated radio emissions, focusing in particular in the relation of the SEP release time with the transient radio emissions. From my study it is clear that both flare- and shock-related particle release processes are observed in high-energy solar proton events and a clear-cut distinction between flare-related and CME/shock-related SEP eventsis difficult to establish. I conclude that typically, the protons are released after the start of the associated type III bursts and simultaneously or before the release of energetic electrons traced in-situ.

Η παρούσα διατριβή ασχολείται με τη μελέτη κρουστικών κυμάτων που παρατηρούνται στο ηλιακό στέμμα και το μεσοπλανητικό χώρο. Επικεντρωθήκαμε κυρίως στη μελέτη μερικών από τα χαρακτηριστικά των κρουστικών κυμάτων όπως είναι οι περιοχές προέλευσής τους, ο προσδιορισμός του διεγείροντος αιτίου τους, ο υπολογισμός του λόγου συμπίεσής τους, η κινηματική τους και τα χαρακτηριστικά της χωρικής τους διάδοσης στο στέμμα και την εσωτερική ηλιόσφαιρα. Επίσης, μελετήσαμε το ρόλο της χωρικής εξέλιξης ενός κρουστικού κύματος στο χαμηλό στέμμα και το μεσοπλανητικό χώρο σε σχέση με την απελευθέρωση ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων (SEPs) σε διαφορετικά σημεία στην ηλιόσφαιρα. Επιπλέον, εξετάσαμε τη συνεισφορά των κρουστικών κυμάτων και των εκλάμψεων στα χαρακτηριστικά των φαινομένων που περιλαμβάνουν SEPs. Για να υλοποιήσουμε τη παρούσα διατριβή εκμεταλλευτήκαμε ένα μεγάλο πλήθος παρατηρήσεων του Ήλιου και της εσωτερικής ηλιόσφαιρας οι οποίες παρέχονται από όργανα επίγεια και διαστημικά. Τα παραπάνω αντικείμενα μελέτης αποτελούν βασικά στοιχεία στην κατανόηση αρχικά των φυσικών διεργασιών/φαινομένων που εμπλέκονται στην δημιουργία και την εξέλιξη των κρουστικών κυμάτων στο ηλιακό στέμμα, επιπλέον της φύσης και των χαρακτηριστικών τους καθώς και της δυνατότητάς τους να επιταχύνουν και να απελευθερώσουν φορτισμένα σωματίδια σε ανοικτές μαγνητικές δυναμικές γραμμές στην ηλιόσφαιρα. Συνδυάζοντας παρατηρήσεις του SDO/ΑΙΑ στο μακρινό υπεριώδες και του ραδιοφασματογράφου ARTEMIS IV στα ραδιοκύματα, μελετήσαμε τη φύση και το διεγείρον αίτιο ενός κρουστικού κύματος που ήταν υπεύθυνο για ραδιοεκπομπή τύπου ΙΙ. Βρήκαμε ότι το κρουστικό κύμα αρχικά είναι “οδηγούμενο από διεγείρον αίτιο” και έπειτα καταλήγει σε εκρηκτικό κύμα και προέρχεται από τη διάδοση CME και τη μη γραμμική εξέλιξη κύματος EUV στο χαμηλό στέμμα. Αναπτύξαμε μια νέα μέθοδο υπολογισμού του λόγου συμπίεσης του κρουστικού κύματος από τις εικόνες του AIA στo EUV. Από τη σύγκριση μεταξύ του λόγου συμπίεσης από το συχνοτικό διαχωρισμό σε δυο λωρίδες της εκπομπής τύπου ΙΙ και του λόγου συμπίεσης από τα δεδομένα στο μακρινό υπεριώδες, βρήκαμε ότι η ραδιοέξαρση τύπου ΙΙ, άρα και το κρουστικό κύμα, μπορεί να προέρχεται από την περιοχή της θήκης (sheath region) του κύματος EUV, στην ακτινική όσο και στην πλευρική διεύθυνση. Σε συνέχεια των εργασιών μας, μελετήσαμε δυο ομόλογα εκρηκτικά φαινόμενα που προκάλεσαν ένα από τα ισχυρότερα φαινόμενα SEPs του 2012 και το οποίο ανιχνεύτηκε σε τρεις διαφορετικές θέσεις στην ηλιόσφαιρα, από διαστημόπλοια που χωρίζονταν μεταξύ τους με γωνία τουλάχιστον 120◦ στο επίπεδο της εκλειπτικής. Πρωτίστως, αναδείξαμε τη χρησιμότητα της τριδιάστατης ανασύνθεσης ενός κρουστικού κύματος για τη μελέτη της χωρικής εξέλιξής του στην εσωτερική ηλιόσφαιρα. Από τη τριδιάστατη ανασύνθεση του κρουστικού κύματος που σχετίζεται με τη πρώτη CME, μελετήσαμε την πλευρική επέκτασή του στο στέμμα και συνδέσαμε τη διαμήκη έκτασή του με τους χρόνους απελευθέρωσης των ενεργητικών πρωτονίων και ηλεκτρονίων. Βρήκαμε ότι το φαινόμενο SEP στο STEREO-B (STB) και το πρώτο σημείο Lagrange (L1) σχετίζεται με το κρουστικό κύματης πρώτης CME από το κέντρο δράσης 11429. Τέλος, εξετάσαμε τον ρόλο των κρουστικών κυμάτων, έναντι των εκλάμψεων, στην επιτάχυνση και την απελευθέρωση των υψηλο-ενεργειακών SEPs που παρατηρούνται στην 1 AU. Μελετήσαμε τα χαρακτηριστικά ισχυρών φαινομένων SEPs, εστιάζοντας ιδιαίτερα στη σχέση του χρόνου απελευθέρωσης των SEPs με τις παροδικές ηλιακές ραδιοεκπομπές. Από τη μελέτη μας βρήκαμε ότι οι διαδικασίες απελευθέρωσης ενεργητικών σωματιδίων που προέρχονται είτε από κρουστικά κύματα είτε από εκλάμψεις παρατηρούνται και οι δυο σε υψηλο-ενεργειακά φαινόμενα SEPs. Είναι δύσκολο να γίνει μια ξεκάθαρη διάκριση μεταξύ των φαινομένων που σχετίζονται με εκλάμψεις και αυτών που σχετίζονται με κρουστικά κύματα από CMEs. Επιπλέον, συμπεράναμε ότι η απελευθέρωση των ηλεκτρονίων που δίνουν τύπους ΙΙΙ συμβαίνει συνήθως πριν την απελευθέρωση των ενεργητικών πρωτονίων ενώ τα υψηλο-ενεργειακά ηλεκτρόνια απελευθερώνονται ταυτόχρονα ή μετά από την απελευθέρωση των ενεργητικών πρωτονίων.