Dimming lifetime: methods to study the recovery of solar corona after coronal mass ejections

The Sun’s activity shapes and varies the conditions in the heliosphere, so-called Space Weather. The main driver of Space Weather disturbances in the Near-Earth environment are Coronal Mass Ejections (CMEs), huge clouds of magnetized plasma, expelled from the Sun into interplanetary space with speeds ranging from 100 km/s up to 3000 km/s. Especially for Earth-directed events, the most important to humankind, determining accurate characteristic CME parameters is challenging. Thus, CME associated phenomena are investigated. Among these, coronal dimmings are regions in the solar corona that abruptly undergo a drastic decrease of emission, observed in the extreme ultraviolet (EUV) or soft X-rays (SXR). They are interpreted as a density depletion caused by the evacuation and expansion of coronal plasma due to CME eruptions. On the one hand, characteristic coronal dimming properties may inform on the early CME mass and speed, on the other hand their post-event recovery is important to understand the mass replenishment of the corona after such eruptions. The current project makes use of the high cadence observations by NASA’s SDO satellite and aims at developing and testing automatic algorithms to detect coronal dimmings occurring on-disk for four different event cases, segmenting areas of interest and studying the long-term time evolution of dimming relevant parameters, such as their area and brightness as the corona recovers. The algorithms are developed by using the Sunpy package of the Python language. New approaches to investigate the temporal evolution of the dimming are proposed and their limitations due to the long analysis duration (up to three days) have been identified. By focusing on very specific regions in the image, either with the application of a fixed mask or with the restriction of the analysis to 3×3 pixel boxes, it was possible to eliminate the disturbances coming from the surrounding areas on the solar disk and to limit the artifacts detected by the algorithm in the case of events close to the limbs. It is found that the dimming recovery mechanism for three of the cases under study is due to the shrinking of the outer boundaries and refilling of the loops, while the last case may show replenishment due to emerging flux from below. Lastly, long-living areas which do not recover by the end of the analysis time range are identified and their behaviour is compared with the peripheral dimming regions. Overall, the trend seems to work in accordance to what is suggested by Attrill et al. [2008].

L’attività solare influenza le condizioni dell’eliosfera ed è studiata dalla Meteorologia Spaziale (Space Weather). I principali artefici dei disturbi causati dallo Space Weather sono le espulsioni di massa coronale (CME), enormi nuvole di plasma magnetizzato espulso nello spazio interplanetario con velocità da 100 fino a più di 3000 km/s. Soprattutto nel caso di espulsioni in direzione della Terra (le più importanti per il genere umano) determinare parametri accurati è complicato. Per questo motivo, l’indagine si sposta su fenomeni associati ai CME. Fra questi, ci sono i coronal dimming, regioni nella corona solare in cui si registra un improvviso calo di emissioni, sia nell’estremo ultravioletto (EUV) che nei soft X-rays (SRX). I dimming sono considerati una diminuzione di densità dovuta alla fuoriuscita ed espansione di plasma causata da un CME. Da un lato, le proprietà dei dimming possono dare informazioni su massa e velocità dei primi stadi di un CME, dall’altro, il loro ritorno alle condizioni iniziali in seguito a un evento è importante per comprendere il rifornimento di massa della corona dopo un’eruzione. Il presente progetto di tesi fa uso delle osservazioni ad alta cadenza del satellite SDO (NASA) e sviluppa e testa algoritmi automatizzati per il rilevamento di dimming sul disco solare nel caso di quattro eventi, ne segmenta le aree di interesse e studia l’evoluzione di parametri rilevanti, come area e intensità, per lunghi periodi (fino a tre giorni). Gli algoritmi sono sviluppati nel linguaggi di programmazione Phython. Sono stati proposti nuovi approcci allo studio dell’evoluzione temporale dei dimming e i loro limiti, dovuti alla lunga durata, sono stati identificati. Infatti, tramite l’utilizzo di una maschera unica applicata su tutte le immagini oppure la restrizione dell’analisi a quadrati di 3 × 3 pixel, si è riusciti a eliminare i disturbi provenienti da aree limitrofe al dimming in studio e a limitare le distorsioni create da uno degli algoritmi per la vicinanza ai bordi del disco solare. Il risultato è che per tre dei casi analizzati, il meccanismo di riempimento dei dimming per tornare allo stato pre-eruzione si basa principalmente sul restringimento dei bordi, mentre nel restante caso il processo è dovuto a flusso che emerge da sotto. Infine, aree del dimming che non presentano un ripristino allo stato originario neanche alla fine del periodo di tempo scelto sono state identificate e il loro comportamento è confrontato con le regioni del dimming periferiche. In generale, si è trovato riscontro con quanto indicato da Attrill et al. [2008].