Visualizing the Magnetic Structure in Interplanetary Coronal Mass Ejections with ATHARV

Resumen Técnico: ATHARV – Una herramienta para la reconstrucción espacial de la estructura magnética de las ICME

Planteamiento del problema
Las Eyecciones de Masa Coronal Interplanetarias (ICME, por sus siglas en inglés) son los principales impulsores del clima espacial, y su geoefectividad está dictada por la orientación y la estructura de sus campos magnéticos internos. Sin embargo, las observaciones in situ de naves espaciales están inherentemente limitadas a un muestreo de series temporales unidimensional a lo largo de una trayectoria específica. Esta limitación oscurece la estructura magnética tridimensional y la evolución de las ICME. Además, los métodos convencionales para estimar el tamaño y la expansión de las ICME a menudo no logran contabilizar los efectos combinados de la expansión intrínseca de la ICME y el movimiento relativo de la nave espacial. Esto puede conducir a sobreestimaciones significativas de los tamaños radiales, particularmente para misiones de movimiento rápido o estructuras con firmas de expansión fuertes. Adicionalmente, la interpretación de las configuraciones magnéticas a partir de mediciones de un solo punto pierde de vista las inhomogeneidades de mesoescala y las distorsiones estructurales que son críticas para comprender la evolución de las ICME.

Metodología: El marco de trabajo ATHARV
Para abordar estas limitaciones, los autores presentan el Análisis de Vectores Remapeados para la Disposición Heliosférica (ATHARV, por sus siglas en inglés). Este marco de trabajo remapea los datos de series temporales in situ en coordenadas espaciales para reconstruir una representación espacial tridimensional del plasma y el campo magnético muestreados localmente a lo largo de la trayectoria de la nave espacial, en lugar de inferir la estructura 3D completa de toda la ICME. La metodología opera bajo el supuesto de que el campo magnético está congelado en el plasma y no evoluciona apreciablemente durante el paso de la nave espacial.

La herramienta emplea dos estrategias de remapeo distintas basadas en los perfiles de velocidad observados:

1. Caso A (Expansión Positiva Uniforme): Para las ICME que exhiben un declive lineal en la velocidad global desde el borde delantero hacia el borde trasero (indicando una expansión autosimilar), ATHARV asume una expansión uniforme con tasas potencialmente diferentes a lo largo de tres direcciones ortogonales. Calcula la posición de las parcelas de plasma en un tiempo de referencia ($t_0$) resolviendo el desplazamiento basado en la velocidad de propagación del centro ($v_{cm}$) y la velocidad de expansión ($v_{exp}$).
2. Caso B (Expansión No Uniforme o Negativa): Para las vainas (sheaths) o eyecciones dinámicamente perturbadas donde los perfiles de velocidad son no lineales o indican compresión (expansión negativa), la herramienta trata las velocidades in situ medidas como proxies de velocidades lagrangianas. Rastrea las trayectorias de las parcelas hacia atrás en el tiempo para estimar sus posiciones en $t_0$.

El marco integra estas reconstrucciones espaciales con diagnósticos complementarios, incluyendo hodogramas y ángulos de orientación del campo magnético, para evaluar la coherencia y rotación magnética. La herramienta está implementada como una interfaz web en línea accesible para la comunidad de heliofísica.

Aplicación y Resultados
Los autores demostraron ATHARV utilizando observaciones in situ multipunto de una ICME detectada el 23 y 24 de abril de 2023 por las naves espaciales STEREO-A y Wind cerca de 1 au. Las naves estaban separadas por distancias radiales pequeñas ($\sim$0.04 au) y longitudinales ($\sim$10.2$^\circ$), lo que permitió un muestreo de mesoescala.

• Reconstrucción Espacial: ATHARV reconstruyó la estructura de la ICME en un sistema de coordenadas heliocéntricas no rotante. La herramienta estimó los tamaños radiales de la vaina (sheath) y de la Eyección Magnética (ME) contabilizando la expansión.
  • Vaina (Sheath): Estimada en $\sim$0.085 au (STEREO-A) y $\sim$0.12 au (Wind).
  • ME: Estimada en $\sim$0.28 au (STEREO-A) y $\sim$0.25 au (Wind).
  • Comparación: Las estimaciones convencionales basadas en la duración arrojaron tamaños de ME significativamente mayores (0.40 au en STEREO-A y 0.27 au en Wind), particularmente en STEREO-A donde la expansión era más fuerte. Esto confirma que los métodos convencionales sobreestiman el verdadero tamaño radial de las ME en expansión.
• Estructura Magnética:
  • Las regiones de la vaina en ambas naves espaciales mostraron campos magnéticos altamente variables y desordenados, consistentes con la turbulencia.
  • Las regiones de la ME exhibieron rotaciones coherentes del campo magnético consistentes con una configuración de tubo de flujo sur–oeste–norte (SWN) con helicidad de mano derecha.
  • Inhomogeneidad de Mesoescala: La aplicación de ATHARV a múltiples naves espaciales y la comparación de sus representaciones espaciales revelaron diferencias significativas entre las dos naves, a pesar de su proximidad.
    • Wind: Mostró un declive gradual en la magnitud del campo magnético y una rotación total de ángulo de $\sim$180$^\circ$, consistente con un cruce de tubo de flujo clásico y simple.
    • STEREO-A: Presentó un perfil de campo magnético más simétrico y un ángulo de rotación total que superó los 180$^\circ$ (alcanzando $\sim$330$^\circ$). Esto sugiere una doble rotación o un camino más complejo a través de la estructura.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que ATHARV proporciona un marco consistente para interpretar las observaciones in situ de las ICME al separar explícitamente la evolución temporal de la estructura espacial. Los hallazgos y reivindicaciones clave incluyen:

1. Corrección de las Estimaciones de Tamaño: La herramienta demuestra que ignorar la expansión y el movimiento de la nave espacial conduce a una sobreestimación sistemática de los tamaños radiales de las ICME. ATHARV ofrece un método físicamente más consistente para determinar las extensiones espaciales reales.
2. Revelación de la Complejidad 3D: La aplicación multipunto de ATHARV reveló que las ICME pueden poseer inhomogeneidades de mesoescala. El mismo evento apareció como una "eyección simple" en Wind y como una "eyección compleja" (con geometría distorsionada y múltiples rotaciones) en STEREO-A, a pesar de su proximidad. Esto resalta las limitaciones de las mediciones de un solo punto para inferir configuraciones magnéticas globales.
3. Interpretación Estructural: La gran rotación de ángulo y el perfil simétrico en STEREO-A sugieren que la nave espacial muestreó una parte de la eyección con una geometría de tubo de flujo retorcida o distorsionada, donde el eje mismo es curvo, en lugar de un eje invariante simple y recto.
4. Recurso para la Comunidad: Los autores enfatizan que ATHARV está disponible en línea para facilitar la investigación de la estructura espacial y la evolución de las ICME, apoyando futuros estudios que integren datos de múltiples naves espaciales y misiones (incluyendo Aditya-L1).

El artículo concluye que, si bien los modelos de tubo de flujo idealizados son útiles, la realidad de la estructura de las ICME implica distorsiones espaciales e inhomogeneidades significativas que requieren observaciones multipunto y herramientas como ATHARV para caracterizarlas plenamente.