[논문 리뷰] Highly relativistic electron flux enhancement during the weak geomagnetic storm of April-May 2017

Katsavrias, Christos, Sandberg, Ingmar외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 03.

Ionosphere and magnetosphere dynamics인용 수 43

한 줄 요약

이 연구는 2017년 4월~5월 동안 약한 지자기 폭풍(Sym-Hmin ≈ -50 nT)이 10 MeV까지의 상대론적 및 초상대론적 전자에 두 배수의 증가를 유도했음을 밝혀냈다. 이는 지구정同步궤도에서 관측되지 않았다. 증가는 두 단계의 가속 메커니즘으로 발생했다: 먼저 코르스 파동이 시드 전자를 상대론적 에너지(1–2 MeV)로 가속시켰고, 그 다음 Pc5 ULF 파동에 의해 유도된 내측 방향 반경 확산이 초상대론적 에너지까지 전자를 추가로 가속시켰다.

ABSTRACT

We report observations of energetic electron flux and Phase Space Density (PSD) to show that a relatively weak magnetic storm with $Sym-H_{min} \approx -50 $nT, resulted in a relativistic and ultra--relativistic electron enhancement of two orders of magnitude similar to the St. Patrick's event of 2015, an extreme storm with $Sym-H_{min} \approx -235 nT$. This enhancement appeared at energies up to $\approx 10$ MeV, lasted for at least 24 days and was not recorded in geosynchronous orbit where most space weather alert data are collected. By combined analysis of PSD radial profiles and Fokker--Planck simulation, we show that the enhancement of relativistic and ultra--relativistic electrons is caused by different mechanisms: first, chorus waves during the intense substorm injections of April 21--25 accelerate the seed electron population to relativistic energies and redistribute them while inward diffusion driven by Pc5 ULF waves further accelerates them to ultra--relativistic energies.

연구 동기 및 목표

• 약한 지자기 폭풍 동안 지속적이고 강력한 상대론적 및 초상대론적 전자 증가의 메커니즘을 규명한다.
• 지구정동궤도 관측의 한계를 해결한다. 이는 전자 플럭스 증가가 관측되지 않았기 때문이다.
• 현지 가속과 반경 확산이 관측된 전자 에너지 증가에 공동 기여했는지 확인한다.
• 약한 지자기 활동 조건에서 코르스 파동과 Pc5 ULF 파동이 전자 가속을 어떻게 이끌었는지 평가한다.
• 극한의 전자 증가가 강력한 Dst 또는 Sym-H 지수와 무관하게 발생할 수 있음을 보여주며, 기존의 폭풍 분류 기준에 도전한다.

제안 방법

• Van Allen Probes의 MagEIS 및 REPT 기구로부터의 고해상도 위상공간 밀도(PSD) 측정치를 사용하였으며, TS05 자기장 모델을 활용한 불변 기반 분석을 실시하였다.
• Pc5 ULF 파동의 세기를 2–7 mHz 범위에서 파악하기 위해 웨이블릿 분석을 적용하였으며, 반경 확산 유도 요소와 상관관계를 분석하였다.
• Li 등(2013)의 방법을 활용해 현장 전기장 및 자기장 데이터로부터 하부 밴드 코르스 파동의 진폭을 유추하였다.
• DE_LL(Liu 등, 2016)과 DB_LL(Ozeke 등, 2014)를 조합한 Kp- 및 µ-의존성 확산 계수 모델을 사용하여 L > 4 영역에서의 과도한 추정을 방지하는 반경 확산 시뮬레이션을 수립하였다.
• 반경 확산만을 고려한 Fokker-Planck 방정식을 해석하였으며, 경계 조건은 L* = 3.2 및 5.2에서 설정하였고, 손실 시간(τ = ∞)을 무한대로 가정하여 플라즈마스피어 히스 효과를 배제하였다.
• L* = 4.2–4.8 범위에서 시뮬레이션된 PSD를 현장 RBSP 측정치와 비교하였으며, 플라즈마파울이 L* ≈ 4 이내에 위치한 4월 19일~29일 기간에 집중하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 약한 지자기 폭풍(Sym-Hmin ≈ -50 nT)이 극도로 강력한 성탄절 폭풍(Sym-Hmin ≈ -235 nT)과 유사한 상대론적 전자 플럭스 증가를 일으켰는가?
• RQ2 기존의 폭풍 지수에 따르면 영향이 미미한 상황에서 초상대론적 에너지(>3 MeV)로의 전자 가속을 이끌어낸 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 서브스타임 주입 기간 동안 코르스 파동이 시드 전자에 대한 국소적 가속에 얼마나 기여했는가?
• RQ4 Pc5 ULF 파동은 어떻게 내측 반경 확산을 유도하고 3 MeV를 초월하는 전자를 추가로 가속화했는가?
• RQ5 왜 이 플럭스 증가가 지구정동궤도에서 관측되지 않았는가? 그 크기와 지속 기간을 감안할 때도 말이다.

주요 결과

• 2017년 4월~5월 동안 상대론적 및 초상대론적 전자 플럭스가 두 배수 증가했으며, 이는 Sym-Hmin ≈ -50 nT의 약한 지자기 폭풍 동안 최소 24일간 지속되었다. 최대 에너지는 10 MeV에 도달했다.
• 4월 19일~26일 동안 강력한 서브스타임 주입으로 인해 시드 전자(수십~수백 keV)가 외부 방사대에 유입되었으며, 이는 AL 지수 최저치 ≈ -1800 nT로 확인되었다.
• 4월 21일~25일 동안의 코르스 파동 활동은 국소적 가속을 유도하였으며, PSD 반경 프로파일에 특징적인 상승 피크를 생성하여 현장에서의 상대론적 에너지(1–2 MeV)로의 가속을 확인하였다.
• Pc5 ULF 파동(2–3.5 mHz)에 의해 유도된 내측 반경 확산이 초상대론적 에너지로의 추가 가속을 이끌었으며, µ = 5100 MeV/G일 때 L* = 4.2–4.8 범위에서 최고의 PSD 비율(≈1)이 관측되었다.
• 시뮬레이션 결과는 L* = 4.2–4.8 범위에서 µ = 5100 MeV/G일 때 관측 결과와 강한 일치를 보였으며, 초상대론적 전자 가속의 주요 메커니즘이 반경 확산임을 확인하였다.
• 본 연구는 초상대론적 전자 증가가 강력한 Dst 또는 Sym-H 지수와 무관하게 발생할 수 있음을 보여주며, 기존의 폭풍 분류 기준에 도전한다.