Eyecciones coronales de masa interplanetarias en la heliósfera interna : evolución cinemática y morfológica

Abstract

Las eyecciones coronales de masa (ECMs) son enormes erupciones de plasma solar, que se liberan al espacio de forma frecuente. Estas enormes nubes de plasma pueden encontrarse en su camino e interactuar con los diversos objetos que conforman el sistema solar, tales como asteroides, planetas y naves espaciales. Las ECMs son estructuras complejas cuyo estudio es de vital importancia, ya que es necesario comprender sus potenciales efectos adversos sobre nuestro planeta y sobre la infraestructura que el ser humano posee operativa en el sistema solar. El objetivo de esta tesis es investigar la propagación y evolución morfológica de ECMs durante su tránsito en los campos visuales de instrumentos de observación heliosférica a bordo de la misión STEREO. Para ello, se construyó una base de datos con 370 ECMs identificadas inicialmente en el instrumento HI-1. Para estas observaciones, cuando fue posible, se buscó observar la ECM en otras etapas de su evolución, con diversos telescopios que captan desde su origen en el Sol y su etapa inicial de evolución, hasta su etapa previa a la llegada a Tierra, así como la ECM Interplanetaria (ECMI) a 1 unidad astronómica (UA). Para poder evaluar el cambio en la morfología 3D de las ECMs en su trayectoria por el medio interplanetario, además de la observación directa, se construyó una herramienta computacional capaz de aplicar el modelo de cuerda de flujo distorsionada (Distortedtoroidal Flux Rope Model, Nieves-Chinchilla et al., 2023a) sobre imágenes de ECMs en instrumentos heliosféricos, que mayormente exhiben una cavidad oscura. Esta cavidad se atribuye a la sección transversal de una cuerda de flujo magnético (CF) cuyo eje axial está orientado paralelo a la línea de la visual. Inicialmente, sobre una muestra de 10 eventos de la lista, se realizó un análisis morfológico aplicando el modelo en distintos instantes de tiempo, a lo largo del campo visual de HI-1. Además, para un evento reciente de características particulares, se pudieron combinar observaciones heliosféricas desde dos puntos de vista distintos, mediante observaciones de las naves STEREO-A y Solar Orbiter. De este modo, se pudieron medir las variaciones de los parámetros del modelo a medida que la ECM se propaga en el campo visual de los instrumentos. Por otro lado, para una muestra de 78 eventos de tipo FR, se examinó su morfología general en el campo visual de HI-1, para determinar cuáles son los tipos de distorsiones más frecuentes a nivel estadístico. Por ´ultimo, se desarrolló una interfaz gráfica para analizar la región frontal de la ECM llamada vaina, permitiendo obtener el ancho de la estructura y compararla con la morfología provista por el modelo anteriormente mencionado, así como hacer un análisis cinemático de las ECMs bajo estudio. Para 8 eventos, se estudiaron parámetros relevantes de la vaina, tales como su ancho en luz blanca, intensidad y velocidad. Este trabajo contribuye a responder interrogantes pendientes de la comunidad heliosférica, tales como si la complejidad general de las ECMIs se incrementa con la distancia al Sol, o si es más común que la estructura se simplifique, o si es posible que algunas subestructuras se simplifiquen mientras que otras se hagan más complejas, y entender cuáles son las causales de estos cambios. Los resultados obtenidos aquí demuestran que el modelo teórico aplicado a las imágenes heliosféricas es de gran utilidad para cuantificar los cambios sufridos por las ECMs, y que es más común que la complejidad general de las estructuras se incremente a medida que se propagan en el medio interplanetario. Resulta fundamental destacar que los descubrimientos de esta investigación representan un potencial aporte a la mejora de los pronósticos de meteorología del espacio. Esto resalta la importancia del trabajo, dado que la interacción entre las ECMs y el campo magnético terrestre puede producir efectos adversos e indeseados para nuestra sociedad.

Abstract: The aim of this thesis is to investigate the propagation and morphological evolution of Coronal Mass Ejections (CMEs) during their transit through the fields of view of Heliospheric Imagers (HI) on board the STEREO mission. To this end, a database comprising 368 CMEs initially identified in the HI-1 instrument was constructed. Whenever possible, efforts were made to observe these CMEs at other evolutionary stages: their solar origin using Extreme Ultraviolet (EUV) telescopes; their initial evolution via COR2 coronagraphs on STEREO-A and -B, and LASCO C2 on board the SoHO spacecraft; their pre-Earth arrival stage through the HI-2 instrument; and the Interplanetary CME (ICME) at 1 astronomical unit (au) using in situ plasma analysis from the Wind and ACE spacecraft. To assess the evolution of the 3D morphology of CMEs as they traverse the interplanetary medium, in addition to direct observation using the aforementioned instruments, the Distorted-toroidal Flux Rope Model was applied. For this purpose, 10 events exhibiting a dark cavity were selected; this feature is attributed to the cross-section of a magnetic flux rope (FR) with its axis oriented parallel to the line of sight. A morphological analysis was conducted for these events by applying the model at various time steps across the HI-1 field of view. For three events, the model was also applied to HI-2 and COR2 imagery. For a recent event with distinct characteristics, it was possible to combine two different heliospheric viewpoints using observations from STEREO-A and Solar Orbiter. Consequently, variations in the model parameters were measured as the CME propagated through the instruments’ fields of view. Furthermore, the general morphology of 78 FR-type events was examined within the HI-1 field of view to statistically determine the most frequent types of distortion. Finally, for applicable events within the same HI-1A imagery, a graphical interface was developed to analyze the CME frontal region (sheath). This allowed for the derivation of the structure’s width and its comparison with the morphology predicted by the aforementioned model, as well as a kinematic analysis of the CMEs under study. This work contributes to addressing open questions within the heliospheric community, such as whether the overall complexity of ICMEs increases with solar distance or if simplification is more common; whether specific substructures may simplify while others become more complex; and understanding the drivers behind these changes. The results demonstrate that applying the theoretical model to heliospheric imagery is highly effective for quantifying CME evolution, and indicate that the overall structural complexity tends to increase as CMEs propagate through the interplanetary medium. It is important to highlight that the findings of this research represent a potential contribution to improving space weather forecasting. This underscores the significance of this work, given that the interaction between CMEs and Earth’s magnetic field can generate adverse effects for modern society.