[논문 리뷰] PAMELA's measurements of geomagnetic cutoff variations during solar energetic particle events

A. Bruno, O. Adriani외 65명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 02.

Ionosphere and magnetosphere dynamics참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 2006년 12월 태양 입자 사건 동안 강력한 지구 자기폭풍의 주요 단계 동안 고에너지 프로톤(≥80 MeV)의 지구 자기장 차단 위도의 실시간 변화를 측정하기 위해 PAMELA 위성 데이터를 사용한다. 그 결과, 자기폭풍 주요 단계 동안 최대 6°의 적도 쪽 이동이 관측되었다. 검증된 TS05 및 T96 자기장 모델과의 비교를 통해 지구 자기장 차폐가 폭풍 조건에서 뚜렷하게 억제됨을 보여주는 강한 상관관계가 지구 자기지수(Kp, Dst, Sym-H)와 확인되었다.

ABSTRACT

Data from the PAMELA satellite experiment were used to measure the geomagnetic cutoff for high-energy ($\gtrsim$ 80 MeV) protons during the solar particle events on 2006 December 13 and 14. The variations of the cutoff latitude as a function of rigidity were studied on relatively short timescales, corresponding to single spacecraft orbits (about 94 minutes). Estimated cutoff values were cross-checked with those obtained by means of a trajectory tracing approach based on dynamical empirical modeling of the Earth's magnetosphere. We find significant variations in the cutoff latitude, with a maximum suppression of about 6 deg for $\sim$80 MeV protons during the main phase of the storm. The observed reduction in the geomagnetic shielding and its temporal evolution were compared with the changes in the magnetosphere configuration, investigating the role of IMF, solar wind and geomagnetic (Kp, Dst and Sym-H indexes) variables and their correlation with PAMELA cutoff results.

연구 동기 및 목표

• 태양 에너지 입자(SED) 사건 기간 동안 고에너지 프로톤의 실시간 지구 자기장 차단 위도 변화를 측정하기 위해.
• 자기폭풍이 지구 내 자기권으로의 간섭선 입자 접근에 미치는 영향을 차단 위도 이동 분석을 통해 평가하기 위해.
• IGRF-11 및 TS05 지구 자기장 모델을 사용하여 PAMELA 측정치를 궤적 추적 모델과 검증하기 위해.
• 관측된 차단 위도 변화와 지구 자기지수(Kp, Dst, Sym-H) 및 태양풍 파rameters 간의 상관관계를 분석하기 위해.
• 특히 저강성 프로톤에 대해 폭풍 조건에서 지구 자기장 차폐가 얼마나 감소하는지 정량화하기 위해.

제안 방법

• 2006년 12월 12일부터 18일까지의 PAMELA 위성 데이터를 사용하여 80 MeV에서 3 GeV 에너지 범위의 프로톤 플럭스 및 각도 분포를 측정하였다.
• 측정된 프로톤 플럭스 이방성과 에너지 스펙트럼을 평균하여 각 94분 간의 궤도별로 차단 위도를 유도하였다.
• 내부 지구 자기장은 IGRF-11 모델로 기술하였으며, 외부 폭풍 시 자기장은 TS05 모델로 모델링하였다.
• 궤적 추적은 T96 및 TS05 모델을 사용하여 입자 경로를 시뮬레이션하고 관측치와 비교하기 위한 차단 위도를 예측하였다.
• 태양풍 및 간성 자기장(IMF) 파arameters(Bx, By, Bz, 동적 압력, 속도, 밀도)를 분석하여 차단 위도 변화와의 상관관계를 분석하였다.
• 측정된 차단 위도와 지구 자기지수(Kp, Dst, Sym-H) 간의 상관계수를 3시간, 1시간, 1분 해상도에서 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 궤도 기간 동안 태양 에너지 입자 사건에 대한 지구 자기장 차단 위도의 짧은 시간 스케일 변화는 어떻게 되는가?
• RQ2 강력한 지구 자기폭풍 기간 동안 간섭선 입자의 지구 자기장 차폐는 어느 정도 감소하는가?
• RQ3 실용적 자기장 모델(TS05, T96)이 PAMELA 측정치에 비해 관측된 차단 위도 변화를 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ4 관측된 차단 위도 변화와 표준 지구 자기지수(Kp, Dst, Sym-H) 간의 상관관계는 어떠한가?
• RQ5 태양풍 및 IMF 조건이 폭풍 사건 기간 동안 관측된 차단 위도 변화에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 12월 14~15일 폭풍의 주요 단계 동안, 강성 약 0.43 GV(에너지 ~80 MeV)인 프로톤의 지구 자기장 차단 위도가 최대 약 6° 감소하였다.
• 강성이 증가할수록 차단 위도 변화가 감소하였으며, 약 3 GeV 에너지 프로톤에서는 최대 약 2°의 감소가 관측되었다.
• TS05 모델은 T96 모델보다 PAMELA 측정치와 더 잘 일치하였지만, 폭풍 주요 단계 동안 최대 2% 정도 차단 위도를 약간 과대평가하였다.
• 측정된 차단 위도 변화와 지구 자기지수 간의 상관계수는 Kp에 대해 0.8, Dst 및 Sym-H에 대해 각각 0.78로, 강한 시간적 일致성을 보였다.
• 폭풍의 초기 단계에서는 Kp와의 일치가 더 좋았으며, Dst 및 Sym-H 지수는 주요 및 회복 단계 동안 차단 위도 변화와 더 강하게 상관관계가 있었다.
• 관측된 차단 위도 변화는 특히 남방 IMF Bz 조건에서 CME 유도 태양풍 교란에 대한 역동적 자기권 반응과 일치하였다.