Quantifying errors in 3D CME parameters derived from synthetic data using white-light reconstruction techniques

Current efforts in space weather forecasting of CMEs have been focused on predicting their arrival time and magnetic structure. To make these predictions, methods have been developed to derive the true CME speed, size, position, and mass, among others. Difficulties in determining the input parameters for CME forecasting models arise from the lack of direct measurements of the coronal magnetic fields and uncertainties in estimating the CME 3D geometric and kinematic parameters after eruption. White-light coronagraph images are usually employed by a variety of CME reconstruction techniques that assume more or less complex geometries. This is the first study from our International Space Science Institute (ISSI) team “Understanding Our Capabilities in Observing and Modeling Coronal Mass Ejections”, in which we explore how subjectivity affects the 3D CME parameters that are obtained from the Graduated Cylindrical Shell (GCS) reconstruction technique, which is widely used in CME research. To be able to quantify such uncertainties, the “true” values that are being fitted should be known, which are impossible to derive from observational data. We have designed two different synthetic scenarios where the “true” geometric parameters are known in order to quantify such uncertainties for the first time. We explore this by using two sets of synthetic data: 1) Using the ray-tracing option from the GCS model software itself, and 2) Using 3D magnetohydrodynamic (MHD) simulation data from the Magnetohydrodynamic Algorithm outside a Sphere code. Our experiment includes different viewing configurations using single and multiple viewpoints. CME reconstructions using a single viewpoint had the largest errors and error ranges overall for both synthetic GCS and simulated MHD white-light data. As the number of viewpoints increased from one to two, the errors decreased by approximately 4° in latitude, 22° in longitude, 14° in tilt, and 10° in half-angle. Our results quantitatively show the critical need for at least two viewpoints to be able to reduce the uncertainty in deriving CME parameters. We did not find a significant decrease in errors when going from two to three viewpoints for our specific hypothetical three spacecraft scenario using synthetic GCS white-light data. As we expected, considering all configurations and numbers of viewpoints, the mean absolute errors in the measured CME parameters are generally significantly higher in the case of the simulated MHD white-light data compared to those from the synthetic white-light images generated by the GCS model. We found the following CME parameter error bars as a starting point for quantifying the minimum error in CME parameters from white-light reconstructions: Δθ (latitude)=6°-3°+2°, Δϕ (longitude)=11°-6°+18°, Δγ (tilt)=25°-7°+8°, Δα(half-angle)=10°-6°+12°, Δh (height)=0.6-0.4+1.2 R⊙, and Δκ (ratio)=0.1-0.02+0.03.Fil: Verbeke, Christine. Royal Observatory Of Belgium (rob);Fil: Mays, M. Leila. NASA Goddard Space Flight Center. Heliophysics Science Division; Estados UnidosFil: Kay, Christina. NASA Goddard Space Flight Center. Heliophysics Science Division; Estados Unidos. The Catholic University of America; Estados UnidosFil: Riley, Pete. Predictive Science Inc.; Estados UnidosFil: Palmerio, Erika. Predictive Science Inc.; Estados UnidosFil: Dumbović, Mateja. University of Zagreb; CroaciaFil: Mierla, Marilena. Institute of Geodynamics of the Romanian Academy; Rumania. Royal Observatory of Belgium; BélgicaFil: Scolini, Camilla. University of New Hampshire; Estados Unidos. University Corporation for Atmospheric Research; Estados UnidosFil: Temmer, Manuela. University of Graz; AustriaFil: Paouris, Evangelos. George Mason University; Estados Unidos. University Johns Hopkins; Estados UnidosFil: Balmaceda, Laura Antonia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan. Instituto de Ciencias Astronómicas, de la Tierra y del Espacio. Universidad Nacional de San Juan. Instituto de Ciencias Astronómicas, de la Tierra y del Espacio; Argentina. George Mason University; Estados Unidos. NASA Goddard Space Flight Center; Estados UnidosFil: Cremades Fernandez, Maria Hebe. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mendoza; Argentina. Universidad de Mendoza; ArgentinaFil: Hinterreiter, Jürgen. University of Graz; Austri

Prediction of solar proton event fluence spectra from their peak flux spectra

Solar Proton Events (SPEs) are of great importance and significance for the study of Space Weather and Heliophysics. These populations of protons are accelerated at high energies ranging from a few MeVs to hundreds of MeVs and can pose a significant hazard both to equipment on board spacecrafts as well as astronauts as they are ionizing radiation. The ongoing study of SPEs can help to understand their characteristics, relative underlying physical mechanisms, and help in the design of forecasting and nowcasting systems which provide warnings and predictions. In this work, we present a study on the relationships between the Peak Flux and Fluence spectra of SPEs. This study builds upon existing work and provides further insights into the characteristics and the relationships of SPE Peak flux and Fluence spectra. Moreover it is shown how these relationships can be quantified in a sound manner and exploited in a simple methodology with which the Fluence spectrum of an SPE can be well predicted from its given Peak spectrum across two orders of magnitude of proton energies, from 5 MeV to 200 MeV. Finally it is discussed how the methodology in this work can be easily applied to forecasting and nowcasting systems

Parameter distributions for the drag-based modeling of CME propagation

In recent years, ensemble modeling has been widely employed in space weather to estimate uncertainties in forecasts. We here focus on the ensemble modeling of Coronal Mass Ejections (CME) arrival times and arrival velocities using a drag-based model, which is well-suited for this purpose due to its simplicity and low computational cost. Although ensemble techniques have previously been applied to the drag-based model, it is still not clear how to best determine distributions for its input parameters, namely the drag parameter and the solar wind speed. The aim of this work is to evaluate statistical distributions for these model parameters starting from a list of past CME-ICME events. We employ LASCO coronagraph observations to measure initial CME position and speed, and in situ data to associate them with an arrival date and arrival speed. For each event we ran a statistical procedure to invert the model equations, producing parameters distributions as output. Our results indicate that the distributions employed in previous works were appropriately selected, even though they were based on restricted samples and heuristic considerations. On the other hand, possible refinements to the current method are also identified, such as the dependence of the drag parameter distribution on the CME being accelerated or decelerated by the solar wind, which deserve further investigation

Review of solar energetic particle models

Solar Energetic Particle (SEP) events are interesting from a scientific perspective as they are the product of a broad set of physical processes from the corona out through the extent of the heliosphere, and provide insight into processes of particle acceleration and transport that are widely applicable in astrophysics. From the operations perspective, SEP events pose a radiation hazard for aviation, electronics in space, and human space exploration, in particular for missions outside of the Earth’s protective magnetosphere including to the Moon and Mars. Thus, it is critical to improve the scientific understanding of SEP events and use this understanding to develop and improve SEP forecasting capabilities to support operations. Many SEP models exist or are in development using a wide variety of approaches and with differing goals. These include computationally intensive physics-based models, fast and light empirical models, machine learning-based models, and mixed-model approaches. The aim of this paper is to summarize all of the SEP models currently developed in the scientific community, including a description of model approach, inputs and outputs, free parameters, and any published validations or comparisons with data.</p

Paouris/ML_ap_Prediction: Validation of ML tool "ap_Predictions"

No description provided

Space weather monitoring: modulation of cosmic ray intensity due to large interplanetary coronal mass ejection

During this PhD research the interplanetary coronal mass ejections which are the main cause of the intense geomagnetic storms with effects in satellites, in electrical power networks, aviation, astronauts in orbit etc. were studied. In particular, a database of 266 ICMEs covering Solar Cycle 23 (1996-2009) has been established using LASCO/SOHO coronagraph data combined with in situ data from ACE. Specifically, we determine in 51 columns the characteristics concerning the CME which is responsible for the upcoming ICME and the associated solar flare, the initial/background solar wind plasma and magnetic field conditions before the arrival of the CME, the conditions in the sheath of the ICME, the main part of the ICME, the geomagnetic conditions of the ICME’s impact at Earth and finally some remarks on the visual examination of each event. From this research important results revealed as the north–south asymmetry for X-class solar flares and an east–west asymmetry for CMEs associated with strong solar flares (magnitude > M1.0) which finally triggered intense geomagnetic storms (Ap > 179). A model for the arrival time of the shock which leads the ICME as a tool for space weather forecasting was also developed. Data from the new ICMEs database used in order to create a new formula of CME-index (Pi-index) taking into account for the first time ICME data. This new Pi-index improved the empirical models of cosmic ray modulation and as a result the minima between the observed CR intensity and the calculated by the model coincide with RMSD value less than 8%. Based on these results we produced daily Report of Space Weather Forecasting giving information about the conditions of solar wind and the interplanetary medium is issued. This report contains also the estimation of Ap geomagnetic index for the next three days and the possible geomagnetic storm levels, in the case that we are expecting a storm. The results of this Ph.D. dissertation contribute to the reliable and timely forecasting of the space weather conditions.Κατά την παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκαν οι διαπλανητικές στεμματικές εκτινάξεις μάζας (ICMEs) οι οποίες με την άφιξή τους στην Γη μπορούν να προκαλέσουν ισχυρές γεωμαγνητικές καταιγίδες με σοβαρές επιπτώσεις σε αρκετούς τομείς, όπως είναι οι τηλεπικοινωνίες, τα συστήματα δορυφόρων, οι αγωγοί μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και η υγεία πληρωμάτων και επιβατών αεροσκαφών τα οποία κινούνται σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη αλλά και αστροναυτών που βρίσκονται σε τροχιά. Συγκεκριμένα, δημιουργήθηκε μία σημαντική βάση δεδομένων από 266 διαπλανητικές στεμματικές εκτινάξεις μάζας καλύπτοντας τον 23ο ηλιακό κύκλο (1996-2009) και χρησιμοποιώντας δεδομένα από τον στεμματογράφο LASCO/SOHO και in situ δεδομένα από την αποστολή ACE. Για κάθε ένα γεγονός παρέχονται όλες οι δυνατές πληροφορίες σε συνολικά 51 στήλες που σχετίζονται με την CME η οποία προκάλεσε την ICME καθώς επίσης και την ηλιακή έκλαμψη (αν σχετίζεται με την εμφάνιση ηλιακής έκλαμψης). Περιγράφονται επίσης οι συνθήκες που επικρατούν στον διαπλανητικό χώρο (σχετικά με το πλάσμα του ηλιακού ανέμου και τα μαγνητικά πεδία) μερικές ώρες πριν την άφιξη της ICME, τα κινηματικά χαρακτηριστικά της ICME καθώς και του χώρου μεταξύ κρουστικού κύματος και ICME (sheath), οι συνθήκες που επικρατούν εντός των ορίων της ICME και τέλος οι γεωμαγνητικές συνθήκες όπως διαμορφώθηκαν από την άφιξη της ICME στην Γη. Από την επεξεργασία των δεδομένων αυτών προέκυψαν σημαντικά αποτελέσματα, όπως η ασυμμετρία μεταξύ γεγονότων που προέρχονται από το βόρειο και το νότιο ημισφαίριο του ηλίου και σχετίζονται με ισχυρές ηλιακές εκλάμψεις κατηγορίας X-class, καθώς και ασυμμετρία μεταξύ ανατολικού και δυτικού τμήματος του ηλιακού δίσκου για γεγονότα τα οποία προκάλεσαν ισχυρές γεωμαγνητικές καταιγίδες. Επίσης, αναπτύχθηκαν μοντέλα τα οποία αφορούν τον χρόνο άφιξης του κρουστικού κύματος προερχόμενου από μία ICME με σκοπό την έγκυρη και έγκαιρη πρόβλεψη των γεωμαγνητικών καταιγίδων που μπορεί να προκληθούν. Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα από την βάση αυτή των ICMEs που αναφέραμε νωρίτερα διαμορφώθηκε ένας ολοκληρωμένος δείκτης των στεμματικών εκτινάξεων μάζας (Pi-index) ο οποίος συνέβαλε στην καλύτερη προσέγγιση των μοντέλων διαμόρφωσης της έντασης της Κοσμικής Ακτινοβολίας που καταγράφεται στους μετρητές νετρονίων, όπως αυτός του Πανεπιστημίου της Αθήνας με αποτέλεσμα την ταύτιση για πρώτη φορά των ελαχίστων της έντασης της Κοσμικής Ακτινοβολίας μεταξύ πραγματικών και πειραματικών τιμών από το μοντέλο με RMSD μικρότερη του 8%. Τα αποτελέσματα και η εμπειρία που αποκτήθηκε από την μελέτη αυτή χρησιμοποιείται στην καθημερινή παρακολούθηση των φυσικών συνθηκών που επικρατούν στον διαπλανητικό χώρο χρησιμοποιώντας πλήθος δεδομένων από δορυφόρους και επίγειους μετρητές με την έκδοση του ημερήσιου δελτίου πρόγνωσης του Διαστημικού καιρού από το Κέντρο Πρόγνωσης Διαστημικού Καιρού της Ομάδας Κοσμικής Ακτινοβολίας της Αθήνας παρέχοντας πληροφορίες για τις φυσικές συνθήκες που επικρατούν στον διαπλανητικό χώρο καθώς και για τις πιθανές γεωμαγνητικές καταιγίδες δίνοντας ταυτόχρονα μια εκτίμηση των τιμών του γεωμαγνητικού δείκτη Ap για τρεις ημέρες. Τα συμπεράσματα της διατριβής συμβάλλουν ουσιαστικά στο ανοικτό και επίκαιρο θέμα της έγκυρης και έγκαιρης πρόβλεψης των συνθηκών του διαστημικού καιρού

Παρακολούθηση Διαστημικού Καιρού: Διαμόρφωση της Κοσμικής Ακτινοβολίας από μεγάλου εύρους εκτινάξεις στεμματικού υλικού

Κατά την παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκαν οι διαπλανητικές στεμματικές εκτινάξεις μάζας (ICMEs) οι οποίες με την άφιξή τους στην Γη μπορούν να προκαλέσουν ισχυρές γεωμαγνητικές καταιγίδες με σοβαρές επιπτώσεις σε αρκετούς τομείς, όπως είναι οι τηλεπικοινωνίες, τα συστήματα δορυφόρων, οι αγωγοί μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας καθώς και η υγεία πληρωμάτων και επιβατών αεροσκαφών τα οποία κινούνται σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη αλλά και αστροναυτών που βρίσκονται σε τροχιά. Συγκεκριμένα, δημιουργήθηκε μία σημαντική βάση δεδομένων από 266 διαπλανητικές στεμματικές εκτινάξεις μάζας καλύπτοντας τον 23ο ηλιακό κύκλο (1996-2009) και χρησιμοποιώντας δεδομένα από τον στεμματογράφο LASCO/SOHO και in situ δεδομένα από την αποστολή ACE. Για κάθε ένα γεγονός παρέχονται όλες οι δυνατές πληροφορίες σε συνολικά 51 στήλες που σχετίζονται με την CME η οποία προκάλεσε την ICME καθώς επίσης και την ηλιακή έκλαμψη (αν σχετίζεται με την εμφάνιση ηλιακής έκλαμψης). Περιγράφονται επίσης οι συνθήκες που επικρατούν στον διαπλανητικό χώρο (σχετικά με το πλάσμα του ηλιακού ανέμου και τα μαγνητικά πεδία) μερικές ώρες πριν την άφιξη της ICME, τα κινηματικά χαρακτηριστικά της ICME καθώς και του χώρου μεταξύ κρουστικού κύματος και ICME (sheath), οι συνθήκες που επικρατούν εντός των ορίων της ICME και τέλος οι γεωμαγνητικές συνθήκες όπως διαμορφώθηκαν από την άφιξη της ICME στην Γη. Από την επεξεργασία των δεδομένων αυτών προέκυψαν σημαντικά αποτελέσματα, όπως η ασυμμετρία μεταξύ γεγονότων που προέρχονται από το βόρειο και το νότιο ημισφαίριο του ηλίου και σχετίζονται με ισχυρές ηλιακές εκλάμψεις κατηγορίας X-class, καθώς και ασυμμετρία μεταξύ ανατολικού και δυτικού τμήματος του ηλιακού δίσκου για γεγονότα τα οποία προκάλεσαν ισχυρές γεωμαγνητικές καταιγίδες. Επίσης, αναπτύχθηκαν μοντέλα τα οποία αφορούν τον χρόνο άφιξης του κρουστικού κύματος προερχόμενου από μία ICME με σκοπό την έγκυρη και έγκαιρη πρόβλεψη των γεωμαγνητικών καταιγίδων που μπορεί να προκληθούν. Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα από την βάση αυτή των ICMEs που αναφέραμε νωρίτερα διαμορφώθηκε ένας ολοκληρωμένος δείκτης των στεμματικών εκτινάξεων μάζας (Pi-index) συνέβαλε στην καλύτερη προσέγγιση των μοντέλων διαμόρφωσης της έντασης της Κοσμικής Ακτινοβολίας που καταγράφεται στους μετρητές νετρονίων, όπως αυτός του Πανεπιστημίου της Αθήνας με αποτέλεσμα την ταύτιση για πρώτη φορά των ελαχίστων της έντασης της Κοσμικής Ακτινοβολίας μεταξύ πραγματικών και πειραματικών τιμών από το μοντέλο με RMSD μικρότερη από 8%. Τα αποτελέσματα και η εμπειρία που αποκτήθηκε από την μελέτη αυτή χρησιμοποιείται στην καθημερινή παρακολούθηση των φυσικών συνθηκών που επικρατούν στον διαπλανητικό χώρο χρησιμοποιώντας πλήθος δεδομένων από δορυφόρους και επίγειους μετρητές με την έκδοση του ημερήσιου δελτίου πρόγνωσης του Διαστημικού καιρού από το Κέντρο Πρόγνωσης Διαστημικού Καιρού της Ομάδας Κοσμικής Ακτινοβολίας της Αθήνας παρέχοντας πληροφορίες για τις φυσικές συνθήκες που επικρατούν στον διαπλανητικό χώρο καθώς και για τις πιθανές γεωμαγνητικές καταιγίδες δίνοντας ταυτόχρονα μια εκτίμηση των τιμών του γεωμαγνητικού δείκτη Ap για τρεις ημέρες. Τα συμπεράσματα της διατριβής συμβάλλουν ουσιαστικά στο ανοικτό και επίκαιρο θέμα της έγκυρης και έγκαιρης πρόβλεψης των συνθηκών του διαστημικού καιρού.During this PhD research the interplanetary coronal mass ejections which are the main cause of the intense geomagnetic storms with effects in satellites, in electrical power networks, aviation, astronauts in orbit etc. were studied. In particular, a database of 266 ICMEs covering Solar Cycle 23 (1996-2009) has been established using LASCO/SOHO coronagraph data combined with in situ data from ACE. Specifically, we determine in 51 columns the characteristics concerning the CME which is responsible for the upcoming ICME and the associated solar flare, the initial/background solar wind plasma and magnetic field conditions before the arrival of the CME, the conditions in the sheath of the ICME, the main part of the ICME, the geomagnetic conditions of the ICME’s impact at Earth and finally some remarks on the visual examination of each event. From this research important results revealed as the north–south asymmetry for X-class solar flares and an east–west asymmetry for CMEs associated with strong solar flares (magnitude &gt; M1.0) which finally triggered intense geomagnetic storms (Ap &gt; 179). A model for the arrival time of the shock which leads the ICME as a tool for space weather forecasting was also developed. Data from the new ICMEs database used in order to create a new formula of CME-index (Pi-index) taking into account for the first time ICME data. This new Pi-index improved the empirical models of cosmic ray modulation and as a result the minima between the observed CR intensity and the calculated by the model coincide with RMSD value less than 8%. Based on these results we produced daily Report of Space Weather Forecasting giving information about the conditions of solar wind and the interplanetary medium is issued. This report contains also the estimation of Ap geomagnetic index for the next three days and the possible geomagnetic storm levels, in the case that we are expecting a storm. The results of this Ph.D. dissertation contribute to the reliable and timely forecasting of the space weather conditions

Interplanetary Coronal Mass Ejections Resulting from Earth-Directed CMEs Using SOHO and ACE Combined Data During Solar Cycle 23

In this work a total of 266 interplanetary coronal mass ejections observed by the Solar and Heliospheric Observatory/Large Angle and Spectrometric Coronagraph (SOHO/LASCO) and then studied by in situ observations from Advanced Composition Explorer (ACE) spacecraft, are presented in a new catalog for the time interval 1996 - 2009 covering Solar Cycle 23. Specifically, we determine the characteristics of the CME which is responsible for the upcoming ICME and the associated solar flare, the initial/background solar wind plasma and magnetic field conditions before the arrival of the CME, the conditions in the sheath of the ICME, the main part of the ICME, the geomagnetic conditions of the ICME&apos;s impact at Earth and finally we remark on the visual examination for each event. Interesting results revealed from this study include the high correlation coefficient values of the magnetic field B-z component against the Ap index (r = 0.84), as well as against the Dst index (r = 0.80) and of the effective acceleration against the CME linear speed (r = 0.98). We also identify a north-south asymmetry for X- class solar flares and an east-west asymmetry for CMEs associated with strong solar flares (magnitude &gt;= M1.0) which finally triggered intense geomagnetic storms (with Ap &gt;= 179). The majority of the geomagnetic storms are determined to be due to the ICME main part and not to the extreme conditions which dominate inside the sheath. For the intense geomagnetic storms the maximum value of the Ap index is observed almost 4 hours before the minimum Dst index. The amount of information makes this new catalog the most comprehensive ICME catalog for Solar Cycle 23

SEP forecasting: An ML approach utilizing solar flare and CME characteristics

We present a novel analysis of historical events, i.e. Coronal Mass Ejections (CMEs) associated with solar flares resulting either in Solar Energetic Particle (SEP) events or not. We exploit a binary logistic regression model to construct an SEP forecasting model based on observed flare and CME characteristics. The logistic regression is applied within a machine learning (ML) framework, using a supervised ML model, which attempts to discriminate between two different binary classes/conditions (i.e. 0 in the case of no SEP and 1 in the case of an SEP event). The model is applied to separate cases of non-SEP events or SEP events (with two energy thresholds E>100MeV or E>300MeV). We utilize all available events to train the model and calculate the probability of an SEP event detection and also some representative metrics of its performance. The model was applied in two important Space Weather events namely July 23, 2012 and September 5, 2022 CMEs to examine the high-energy SEP production for these two extreme solar events. In both cases, we estimate a high probability (> 95%) of SEP events that were confirmed using STEREO-A and Solar Orbiter insitu data, respectively. The model is proven to be an excellent classifier for SEP identification by applying multivariate logistic regression