[논문 리뷰] Ground level observations of relativistic solar particles on Oct 29th, 2015: Is it a new GLE on the current solar cycle?

C. R. A. Augusto, C. E. Navia외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 29.

Solar and Space Plasma Dynamics인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 2015년 10월 29일에 지상에서 관측된 상대론적 태양 입자에 의한 지표면 강화(GLE)를 다루며, 브라질 리우데자네이루에 위치한 뉴트론 모니터와 뉴-투피 뮤온 탐지기로 검출되었다. 낮은 신뢰도 신호(≤2% 증가)에도 불구하고, CME에 의해 유도된 충격파를 통해 유도된 태양 고에너지 입자(SEP)와의 상관관계, 헬리오스피어 전류판 접힘에 의한 유도 경로, 그리고 남극 뉴트론 모니터와 아이스탑과 같은 고위도 탐지기에서의 관측으로 인해 이 사건은 GLE 73으로 분류된다.

ABSTRACT

On Oct. 29th, 2015, the Earth crossed through a fold in the heliospheric current sheet. This is called a "solar sector boundary crossing". Under this circumstances, a large coronal mass ejection (CME) occurred at 2:24 UT, behind the west limb on the sun. Therefore, the boundary crossing occurred when in the blast's nearby environment was filled with energetic particles accelerated by the CME shock waves, spacecraft measurements (ACE and GOES) have shown that in such a case, protons with energies at least up to 30 MeV were stored within the range of the sector boundary. Thus, a fraction of the solar energetic particles (SEP) from CME, reached Earth around 03:00 UT in the aftermath of the solar blast, reaching the condition of an S1 (minor) radiation storm level. The effect at ground level was a small increase in the counting rate in some ground based detectors, such as the South Pole Neutron Monitor (NM) and a sharp peak observed in the counting rate in the New-Tupi detector in Rio de Janeiro, Brazil and Thule NM. The event is being classified as a new GLE (Ground Level Enhancement) in the current solar cycle, as the GLE 73. However, in all cases, the counting rate increase is smaller or near than 2\%. The Earth crossed through a fold in the heliospheric current sheet also caused a geomagnetic disturbance, below the minor geomagnetic storm threshold, observed in the ACE spacecraft and a small decrease in the counting rates of some ground level detectors, such as the New-Tupi detector and Thuly NM. Details of these observations are reported.

연구 동기 및 목표

• 2015년 10월 29일 사건이 태양활동 24기에서 새로운 지표면 강화(GLE)로 간주될 수 있는지 평가하기.
• 지구로 향하는 태양 고에너지 입자(SEP)의 전파를 가능하게 한 헬리오스피어 전류판 접힘의 역할을 조사하기.
• 특히 남대서洋洋 고리역의 뉴-투피 탐지기에서 상대론적 입자 사건에 대한 지상 기반 탐지기의 민감도 평가하기.
• 지상 관측 결과와 위성 데이터(ACE, GOES), 고위도 뉴트론 모니터(남극, 툴레) 간의 상관관계를 통해 사건의 분류를 검증하기.

제안 방법

• 브라질 니테리오에 위치한 뉴-투피 뮤온 탐지기(4개의 스크린티레이터 감지기, 127 mm PMT, 1 Hz 샘플링)를 포함한 지상 기반 탐지기 사용. 탐지기는 텔레스코프 모드와 스케일러 모드에서 작동.
• 뉴-투피 탐지기에서의 입자 수세기 비율 증가를 분석하며, 공명 및 단일 충격 비율을 통해 수직, 서쪽, 동쪽 입사 뮤온에 중점을 두었다.
• ACE 및 GOES 위성 관측 자료와의 상관관계를 통해 태양풍 밀도, IMF 변동성, 방사선 폭풍 발생 시점 추적.
• NMDB 네트워크에 속한 남극, 맥마이드, 툴레의 뉴트론 모니터 데이터와 교차 확인하여 사건의 시간 및 강도 검증.
• 2015년 10월 29일 지구가 전류판 접힘에 의해 영향을 받는 것을 시뮬레이션하기 위해 WSA-ENLIL 헬리오스피어 모델 사용.
• ACE 데이터를 통한 지자기 효과 평가 및 경계를 횡단하는 동안 탐지기 비율의 경미한 감소 관측으로 일시적인 지자기 불안정성 확인.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 낮은 신호 신뢰도에도 불구하고 2015년 10월 29일 사건이 태양활동 24기에서 새로운 지표면 강화(GLE)로 간주될 수 있는가?
• RQ2 직접적인 X선 방출이 없음에도 불구하고, 뒤쪽 테두리에 위치한 CME가 지구에서 감지 가능한 상대론적 입자를 어떻게 생성했는가?
• RQ3 헬리오스피어 전류판 접힘이 태양 고에너지 입자를 지구로 전파하는 데 얼마나 기여했는가?
• RQ4 남대서양 고리역에 위치한 뉴-투피 탐지기가 고위도 탐지기보다 민감도가 낮음에도 불구하고 날카로운 뮤온 피크를 기록한 이유는 무엇인가?
• RQ5 섹터 경계 횡단 중 발생한 지자기 불안정성이 지표면 탐지기 반응에 미친 영향은 어떤가?

주요 결과

• 2015년 10월 29일 사건은 GLE 73로 분류되었으며, 2012년 5월 17일 사건 이후 태양활동 24기에서 두 번째 잠재적 GLE이다.
• 10월 29일에 발생한 부분 헬름 CME는 서쪽 테두리 뒤에 위치했으나, 전류판 접힘을 통해 지구로 향하는 태양 고에너지 입자(SEP)를 생성했으며, 직접적인 자기 연결 없이도 도달했다.
• 리우데자네이루에 위치한 뉴-투피 탐지기는 약 2%의 신뢰도로 낮은 수준의 신호를 기록했으며, 이는 SEP 도착과 일치하는 결과였다.
• 고위도 뉴트론 모니터(남극, 툴레)와 아이스탑 대기 샤워 탐지기 역시 작은 증가를 기록했으며, 상관관계가 있었다.
• 지구가 전류판 접힘에 진입하면서 경미한 지자기 불안정성이 발생했으며, ACE 데이터로 관측되었고, 이로 인해 뉴-투피와 툴레의 수세기 비율이 약간 감소하여 조절 효과가 있음을 시사했다.
• 뉴-투피 탐지기가 남대서양 고리역에 위치해 있어 지자기 강도 절단이 낮아져 상대론적 입자에 대해 민감도가 높아졌으며, 이로 인해 낮은 수준의 신호에도 불구하고 감지가 가능했다.