DOI: https://doi.org/10.1029/2025sw004911
تاريخ النشر: 2026-05-01
المؤلف: Anjali Agarwal وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات البلازما الشمسية والفضائية
نظرة عامة
في هذا القسم، يقدم المؤلفون التحقق من صحة طريقة منظور التسارع الثابت (CAAP) المقترحة، والتي تهدف إلى تقدير سرعة التوسع الفوري لانبعاثات الكتلة الإكليلية (CMEs). تستفيد الدراسة من المحاذاة الشعاعية لمركبتين فضائيتين، ويند وسولار أوربيتر، لتسهيل الملاحظات المتزامنة لمركز CME وحافته المتأخرة، على التوالي.
تشير النتائج إلى أن خصائص الهياكل الفرعية لـ CME تظهر تطورًا كبيرًا كما لوحظ من موقعين مختلفين للمركبتين الفضائيتين. وهذا يشير إلى أن ديناميات CMEs معقدة وقد تختلف بشكل كبير على مسافات قصيرة نسبيًا في الغلاف الجوي الشمسي، مما يبرز أهمية الملاحظات متعددة النقاط في فهم سلوك CME.
مقدمة
تعتبر انبعاثات الكتلة الإكليلية (CMEs) ظواهر شمسية هامة تتميز بفقاعات بلازما مغناطيسية يتم طردها من الغلاف الشمسي، والتي تلعب دورًا حيويًا في الطقس الفضائي. يعتمد دراسة CMEs عادةً على الملاحظات المباشرة من المركبات الفضائية، التي توفر بيانات أحادية البعد على طول مساراتها، والملاحظات البعيدة التي تقدم رؤى حول خصائصها العالمية. تظهر CMEs هياكل فرعية، بما في ذلك السحب المغناطيسية (MCs) بتكوينات تشبه الحبال، والتي يمكن تصنيفها بناءً على اتجاهات حقولها المغناطيسية. تتطور ديناميات هذه الهياكل، بما في ذلك مناطق الصدمة والغطاء، أثناء انتشارها عبر الرياح الشمسية، مما يستلزم ملاحظات متعددة النقاط لتقييم خصائصها وتأثيراتها على الطقس الفضائي بدقة.
تعتمد الطرق التقليدية لتقدير سرعات توسع CME غالبًا على الملاحظات أحادية النقطة، مما قد يؤدي إلى عدم الدقة بسبب تأثيرات الاختيار الهندسي وفرضية سرعات التوسع الثابتة. وقد سلطت الدراسات الأخيرة الضوء على قيود هذه الطرق، خاصة في الحالات التي تظهر فيها CMEs ملفات سرعة غير خطية. لمعالجة هذه القضايا، يقترح المؤلفون طريقة غير تقليدية تُسمى منظور التسارع الثابت (CAAP)، والتي تقدر سرعات التوسع الفورية من خلال الأخذ في الاعتبار التسارع أثناء مرور CME. تهدف هذه الدراسة إلى التحقق من صحة طريقة CAAP باستخدام ملاحظات متزامنة من مركبتي سولار أوربيتر وويند، مع التركيز على حدث CME محدد من 3-5 نوفمبر 2021. من خلال مقارنة تقديرات CAAP مع الطرق التقليدية وفحص تطور الهياكل الفرعية لـ CME، تسعى البحث إلى تعزيز فهم ديناميات CME وتأثيراتها على توقعات الطقس الفضائي.
طرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون منهجيتهم للتحقق من صحة طريقة CAAP غير التقليدية المطبقة على ملاحظات مركبة فضائية واحدة من خلال استخدام بيانات من مركبتين فضائيتين مفصولتين شعاعيًا، ويند وسولO. تتضمن عملية التحقق حساب سرعة التوسع الفوري المعتمدة على الزمن لسحابة مغناطيسية (MC) باستخدام تقديرات سرعة الانتشار لهياكلها الفرعية المستمدة من طريقة CAAP. ثم تتم مقارنة هذه التقديرات مع سرعة التوسع الفوري المقاسة التي تم الحصول عليها من قياسات مباشرة متزامنة لمركز MC بواسطة ويند وحافته المتأخرة (TE) بواسطة سولO.
تركز التحليل على الفروق في خصائص الهياكل الفرعية لانبعاثات الكتلة الإكليلية (CMEs) كما لوحظت بواسطة سولO وويند. يتم تقديم الملاحظات المباشرة في الشكل 2، الذي يوضح معلمات مختلفة بما في ذلك المجال المغناطيسي الكلي، ومكوناته في نظام الإحداثيات RTN، وخصائص البلازما مثل السرعة والكثافة ودرجة الحرارة وبيتا البلازما. يتم تفصيل معايير التعريف لهياكل CME الفرعية في القسم 2.1. يستخدم المؤلفون أدوات MAG وSWA للقياسات في سولO، بينما تستخدم ويند أدوات MFI وSWE لمعايير المجال المغناطيسي والبلازما، مع استخدام أداة 3DP بشكل خاص لقياسات درجة الحرارة بسبب التباينات الملحوظة مع أداة SWE في منطقة MC.
مناقشة
في هذا القسم، يحلل المؤلفون الملاحظات المباشرة لانبعاث الكتلة الإكليلية (CME) باستخدام بيانات من مركبتي سولار أوربيتر (SolO) وويند. يحددون حدود الهياكل الفرعية لـ CME—تحديدًا الحافة الرائدة (LE)، المركز، والحافة المتأخرة (TE)—من خلال فحص معلمات المجال المغناطيسي والبلازما التي تميز السحب المغناطيسية (MCs). يتم تفصيل أوقات الوصول والأحجام الشعاعية لهذه الهياكل الفرعية في الجدول 1، مما يظهر نتائج متسقة مع الدراسات السابقة. يشير المؤلفون إلى أنه بينما يتم تحديد نفس الهياكل الفرعية في كلا المركبتين الفضائيتين، توجد تباينات في حدود MC مقارنةً بالفهارس المعتمدة، والتي تُعزى إلى منهجيتهم التي تركز على دوران متجه المجال المغناطيسي.
يناقش القسم أيضًا سرعة التوسع الفوري لـ CME، وهو معلم حاسم لفهم تأثيره على الطقس الفضائي. يستخدم المؤلفون طريقة غير تقليدية لتقدير هذه السرعة باستخدام ملاحظات متزامنة من كلا المركبتين الفضائيتين. يجدون أن سرعة التوسع الفوري تبلغ حوالي 68 كم/ث، مستمدة من الوصول شبه المتزامن لـ TE في سولO والمركز في ويند. بالإضافة إلى ذلك، يبرزون أن تسارع الهياكل الفرعية لـ CME يختلف، حيث تشهد LE تسارعًا أكبر من TE، على الأرجح بسبب التفاعلات مع تيار الرياح الشمسية عالي السرعة. تتحدى هذه الملاحظة النماذج التقليدية القائمة على السحب لانتشار CME، مما يشير إلى أن ديناميات الهياكل الفرعية لـ CME تتأثر بتفاعلات معقدة مع بيئة الرياح الشمسية. يؤكد المؤلفون على أهمية تقديرات التسارع الموثوقة لتطبيق طريقة CAAP بنجاح، وهو أمر حاسم لنمذجة سلوك CME بدقة وتأثيراته على توقعات الطقس الفضائي.
DOI: https://doi.org/10.1029/2025sw004911
Publication Date: 2026-05-01
Author(s): Anjali Agarwal et al.
Primary Topic: Solar and Space Plasma Dynamics
Overview
In this section, the authors present the validation of their proposed Constant Acceleration Accounted Perspective (CAAP) method, which is designed to estimate the instantaneous expansion speed of Coronal Mass Ejections (CMEs). The study leverages the radial alignment of two spacecraft, Wind and Solar Orbiter, to facilitate simultaneous observations of the CME’s center and trailing edge, respectively.
The findings indicate that the properties of CME substructures exhibit significant evolution as observed from the two distinct locations of the spacecraft. This suggests that the dynamics of CMEs are complex and may vary considerably over relatively short distances in the solar atmosphere, highlighting the importance of multi-point observations in understanding CME behavior.
Introduction
Coronal mass ejections (CMEs) are significant solar phenomena characterized by magnetized plasma bubbles expelled from the solar corona, which play a crucial role in space weather. The study of CMEs typically relies on in situ observations from spacecraft, which provide one-dimensional data along their trajectories, and remote observations that offer insights into their global properties. CMEs exhibit substructures, including magnetic clouds (MCs) with flux-rope-like configurations, which can be classified based on their magnetic field orientations. The dynamics of these structures, including their shock and sheath regions, evolve as they propagate through the solar wind, necessitating multi-point observations to accurately assess their characteristics and impacts on space weather.
The conventional methods for estimating CME expansion speeds often rely on single-point observations, which can lead to inaccuracies due to geometric selection effects and the assumption of constant expansion speeds. Recent studies have highlighted the limitations of these methods, particularly in cases where CMEs exhibit non-linear speed profiles. To address these issues, the authors propose a non-conventional method termed the Constant Acceleration Accounted Perspective (CAAP), which estimates instantaneous expansion speeds by accounting for acceleration during the CME’s passage. This study aims to validate the CAAP method using simultaneous observations from the Solar Orbiter and Wind spacecraft, focusing on a specific CME event from November 3-5, 2021. By comparing the CAAP estimates with traditional methods and examining the evolution of CME substructures, the research seeks to enhance the understanding of CME dynamics and their implications for space weather forecasting.
Methods
In this section, the authors describe their methodology for validating the non-conventional CAAP method applied to single-spacecraft observations by utilizing data from two radially separated spacecraft, Wind and SolO. The validation process involves calculating the time-dependent instantaneous expansion speed of a magnetic cloud (MC) using propagation speed estimates of its substructures derived from the CAAP method. These estimates are then compared to the measured instantaneous expansion speed obtained from simultaneous in situ measurements of the MC’s center by Wind and its trailing edge (TE) by SolO.
The analysis focuses on the differences in the properties of coronal mass ejections (CMEs) substructures as observed by SolO and Wind. The in situ observations are presented in Figure 2, which illustrates various parameters including the total magnetic field, its components in the RTN coordinate system, and plasma characteristics such as speed, density, temperature, and plasma beta. The identification criteria for CME substructures are detailed in Section 2.1. The authors employ the MAG and SWA instruments for measurements at SolO, while Wind utilizes the MFI and SWE instruments for magnetic field and plasma parameters, with the 3DP instrument specifically used for temperature measurements due to discrepancies noted with the SWE instrument in the MC region.
Discussion
In this section, the authors analyze the in situ observations of a coronal mass ejection (CME) using data from the Solar Orbiter (SolO) and Wind spacecraft. They identify the boundaries of CME substructures—specifically the leading edge (LE), center, and trailing edge (TE)—by examining magnetic field and plasma parameters that characterize magnetic clouds (MCs). The arrival times and radial sizes of these substructures are detailed in Table 1, showing consistent findings with previous studies. The authors note that while the same substructures are identified at both spacecraft, discrepancies exist in the MC boundaries compared to established catalogs, attributed to their methodology focusing on magnetic field vector rotation.
The section further discusses the instantaneous expansion speed of the CME, a critical parameter for understanding its impact on space weather. The authors employ a non-conventional method to estimate this speed using simultaneous observations from both spacecraft. They find that the instantaneous expansion speed is approximately 68 km/s, derived from the nearly simultaneous arrival of the TE at SolO and the center at Wind. Additionally, they highlight that the acceleration of CME substructures varies, with the LE experiencing greater acceleration than the TE, likely due to interactions with a high-speed solar wind stream. This observation challenges conventional drag-based models of CME propagation, suggesting that the dynamics of CME substructures are influenced by complex interactions with the solar wind environment. The authors emphasize the importance of reliable acceleration estimates for the successful application of their CAAP method, which is crucial for accurately modeling CME behavior and its implications for space weather forecasting.