[論文レビュー] PAMELA's measurements of geomagnetically trapped and albedo protons

A. Bruno, O. Adriani+65 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2015

Astro and Planetary Science参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、低地球軌道（350–610 km）におけるPAMELA衛星による下切りエネルギーを超えるプロトンの測定を提示し、現実的な磁気圏モデルを用いた軌道追跡により、それらを地球磁気圏に捕獲されたプロトンと再入するアルベドプロトンに分類している。主な発見として、PAMELAデータは捕獲されたプロトンの観測をLシェル（約1.1 RE）の低さおよびエネルギー（約4 GeV）まで拡張しており、AP8に比べPSB97モデルとの一致が向上している。また、特に地球磁気圏のカットオフに近いペンブルァ領域において、準捕獲、降下、擬似捕獲の各成分を含む詳細なアルベドプロトン構造が明らかになった。

ABSTRACT

Data from the PAMELA satellite experiment were used to perform a detailed measurement of under-cutoff protons at low Earth orbits. On the basis of a trajectory tracing approach using a realistic description of the magnetosphere, protons were classified into geomagnetically trapped and re-entrant albedo. The former include stably-trapped protons in the South Atlantic Anomaly, which were analyzed in the framework of the adiabatic theory, investigating energy spectra, spatial and angular distributions; results were compared with the predictions of the AP8 and the PSB97 empirical trapped models. The albedo protons were classified into quasi-trapped, concentrating in the magnetic equatorial region, and un-trapped, spreading over all latitudes and including both short-lived (precipitating) and long-lived (pseudo-trapped) components. Features of the penumbra region around the geomagnetic cutoff were investigated as well. PAMELA observations significantly improve the characterization of the high energy proton populations in near Earth orbits.

研究の動機と目的

• 南大西洋帯動脈（SAA）のような高い不確実性を示す領域における高エネルギー陽子集団の特徴付けを改善すること。
• 現実的な磁気圏モデルを用いた正確な軌道追跡により、下切りエネルギーを超えるプロトンを地球磁気圏に捕獲されたものと再入するアルベドプロトンに分類すること。
• 新しい高精度なPAMELAデータと比較して、経験的放射線帯モデル（AP8およびPSB97）を検証すること。
• 特に地球磁気圏カットオフに近いペンブルァ領域において、準捕獲、降下、擬似捕獲の各成分を含むアルベドプロトンの構造と空間的分布を調査すること。

提案手法

• 現実的な磁気圏モデルを用いた軌道追跡により、粒子の経路に基づいてプロトンを地球磁気圏に捕獲されたものと再入するアルベドプロトンに分類する。
• 高緯度における粒子分布をより適切に表現し、地球の多極子磁場を反映させるために、高度補正磁気座標（AACGM）座標系を用いる。
• 断熱理論を適用してSAAにおける安定捕獲プロトンを分析し、エネルギースペクトル、空間的および方位分布に注目する。
• 軌道再構築を用いてアルベドプロトン集団を、準捕獲（赤道付近、長寿命）、降下（短寿命、広がった緯度分布）、擬似捕獲（混沌とした動き、カットオフ付近）の各成分に分離する。
• SPENVISウェブツールを用いて、PAMELAデータとAP8（UP8-min）およびPSB97のモデル予測を比較し、モデルの妥当性を検証する。
• 両方のプロトン（宇宙線およびアルベド）の軌道が共存する領域としてペンブルァ領域を特定し、剛性および緯度依存性を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PAMELAが南大西洋帯動脈で測定した捕獲プロトンは、AP8およびPSB97の経験的モデル予測とどのように異なるか？
• RQ2 準捕獲アルベドプロトンの空間的およびエネルギー的分布は何か？また、安定捕獲プロトンとはどのように異なるか？
• RQ3 降下および擬似捕獲アルベドプロトン成分は、剛性および緯度に応じてどのように変化するか？特にペンブルァ領域においては？
• RQ4 ペンブルァ領域における観測されたアルベドプロトンスペクトルおよびフラックスは、地球磁気圏カットオフ付近の非断熱的・混沌とした粒子運動をどの程度反映しているか？
• RQ5 PAMELAの観測結果は、特にモデル化の不確実性が著しい領域において、高エネルギー陽子集団の理解をどの程度精緻化するか？

主な発見

• PAMELAデータは、捕獲プロトンの観測をLシェル（約1.1 RE）の低さおよび運動エネルギー（約4 GeV）まで拡張しており、低高度放射線環境の特徴付けを顕著に改善した。
• UP8モデルはPAMELAの捕獲プロトンフラックスを過大評価しているが、PSB97モデルは良好な一致を示しているが、PSB97予測に見られるスペクトル構造は再現されていない。
• 準捕獲アルベドプロトンは低緯度に限定され、エネルギーが約8 GeV未満で、緯度およびエネルギーの増加に伴いフラックスが滑らかに減少する。
• 降下アルベド成分は、高緯度およびエネルギー（最大約10 GeV）まで広がっており、準捕獲プロトンよりも広い空間的分布を示している。
• 擬似捕獲成分は高緯度およびエネルギー（最大約20 GeV）で支配的であり、特に大規模な回転半径効果によりペンブルァ領域にピークを示す。
• ペンブルァ領域では、剛性および緯度が高くなるほど宇宙線プロトンの割合が増加し、観測されたプロトン組成は、宇宙線成分とアルベド成分が等しい場合のフィットに最もよく一致しており、PAMELAミッション期間におけるStörmerの垂直カットオフと整合的である。