Magnetic helicity from the Sun to Earth
Summary
Monitoring, understanding, and successful prediction of the conditions in the interplanetary near-Earth environment (our space weather) are becoming essential, given the reliance of humanity on satellite-based services. Especially Earth-directed coronal mass ejections (CMEs), magnetized clouds of coronal plasma ejected from the outermost layer of the solar atmosphere, the corona, severely impact space weather. For a better understanding, the combined analysis of disturbances registered in our near-Earth environment, their interplanetary evolution, as well as their solar source region is required. A single quantity provides a well-defined physical link: magnetic helicity. Its magnitude indicates the degree of complexity while its sign is unambiguously related to the geometrical sense of the underlying magnetic field. Being quasi-conserved, it can be used to trace magnetic complexity consistently in different spatial regimes: in the CME’s near-surface solar source region (in the form of photospheric helicity flux), in the active-region solar atmosphere (in the form of the instantaneous coronal helicity budget), as well as in interplanetary space (in the form of the magnetic helicity of the ICME modeled on the basis of in-situ measurements). The estimation of the magnetic helicity requires knowledge of the magnetic field vector. Direct measurements are well-established and routinely performed at photospheric levels where the Solar Dynamics Observatory represents an unique data source. The coronal magnetic field can be approximated by data-constrained nonlinear force-free modeling techniques which require the measured photospheric data as an input. The magnetic field vector in our near-Earth environment is provided in the form of time series of localized in-situ measurements at the location of the operating spacecraft (e.g., Advanced Composition Explorer and WIND, and since recently and operating closer to the Sun, Parker Solar Probe and Solar Orbiter). The simulation of the ICMEs’ interplanetary propagation provides predicted arrival times at different targets in the solar system, and thus allows an unambiguous identification of the in-situ signatures of an associated magnetic cloud (MC), based on which its helicity budget can be estimated. Here, we propose a research project going beyond the state of the art with the main aim to provide a more coherent picture of the physical properties of solar eruptions in interplanetary space. We will do so by systematically relating associated measures of the magnetic helicity in different spatial regimes: the helicity flux in the solar source region, the helicity budget of the corona above, the helicity of the near-Sun CME, and that of the MC in interplanetary space. The unprecedented near-Sun in-situ data from Parker Solar Probe and Solar Orbiter will improve our knowledge especially on the near-Sun properties of ICMEs, which are largely unknown to date.
Zusammenfassung
Die Beobachtung, das Verständnis, und die verlässliche Vorhersage der physikalischen Bedingungen im erdnahen Weltraum (unser „Weltraumwetter“) werden im Hinblick auf die Abhängigkeit von Satelliten-basierte Dienstleistungen, immer essenzieller. Sonneneruptionen (“coronal mass ejections”; CMEs) -- Wolken magnetisierten Plasmas, von der äußeren Sonnenatmosphäre (Korona) ausgestoßen -- formen unser Weltraumwetter nachhaltig. Ein besseres Verständnis erfordert die kombinierte Analyse der induzierten Strömungen im erdnahen Weltraum, deren Ausbreitung im interplanetaren Raum zwischen Sonne und Erde, sowie deren solare Ursprungsregion. Eine einzige physikalische Größe stellt eine wohldefinierte physikalische Verbindung dar: die magnetische Helizität. Ihre Magnitude ist ein Maß der Komplexität und ihr Vorzeichen eindeutig mit dem geometrischen Sinn einer Magnetfeldstruktur verknüpft. Sie ist eine Erhaltungsgröße und erlaubt daher die Komplexität magnetischer Strukturen auf konsistente Weise in unterschiedlichen Raumregionen zu verfolgen: in der solaren Ursprungsregion (in Form des photosphärischen Helizitätsflusses), in der darüber liegenden Sonnenatmosphäre (in Form der instantanen koronalen Helizität), und im interplanetaren Raum (in Form der Helizität des interplanetaren CMEs). Die Berechnung der Helizität bedarf Kenntnis des Magnetfeldvektors. Laufende direkte Messungen des Magnetfeldes in der Oberfläche der Sonne (Photosphäre) durch das Solar Dynamics Observatory stellen diesbezüglich eine einzigartige Datenquelle dar. Das koronale Magnetfeld kann mithilfe von nichtlinear-kraftfreien Modellen abgeschätzt werden, die die photosphärischen Daten als Input benötigen. Der Magnetfeldvektor im erdnahen Weltraum ist in Form von Zeitserien lokalisierter in-situ Messungen von Satelliten verfügbar (z.B. Advanced Composition Explorer und WIND, und seit Kurzem näher an der Sonne operierend, Parker Solar Probe und Solar Orbiter). Die Simulation der interplanetaren Ausbreitung der CMEs liefert die Vorhersage der Ankunftszeiten an unterschiedlichen Orten im Sonnensystem, erlaubt also die eindeutige Assoziierung von CMEs und entsprechenden erdnahen in-situ Signaturen, sogenannten magnetischen Wolken ("magnetic clouds"; MCs), deren Helizität von den in-situ Daten abgeleitet werden kann. Dieses Forschungsprojekt hat zum Ziel ein verständlicheres Bild der physikalischen Eigenschaften von Sonneneruptionen im interplanetaren Raum zu liefern. Dies wird durch die systematische Berechnung und den Vergleich von Helizität-assoziierten Größen erreicht werden: den Helizitätsfluss in der solaren Ursprungsregion, die instantane Helizität der darüberliegenden Korona, und die Helizität des CMEs (nahe der Sonne und die der assoziierten MC im erdnahen Raum). Die nie dagewesenen in-situ Daten von Parker Solar Probe und Solar Orbiter werden diesbezüglich unsere Kenntnis speziell der Eigenschaften der CMes in Sonnennähe erweitern.