[論文レビュー] PAMELA's measurements of geomagnetic cutoff variations during solar energetic particle events

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

Ionosphere and magnetosphere dynamics参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、2006年12月の太陽高エネルギー粒子イベント期における、PAMELA衛星データを用いて、高エネルギー陽子（≥80 MeV）の磁気圏遮蔽切断緯度のリアルタイム変動を測定した。強力な磁気ストームの主要段階期には、最大で6°低緯度方向へのシフトが観測された。結果はTS05およびT96磁場モデルと照合され、Kp、Dst、Sym-Hといった磁気指数と強く相関しており、ストーム状態下での磁気圏遮蔽の著しい抑制を示している。

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.

研究の動機と目的

• 太陽高エネルギー粒子（SEP）イベント期における高エネルギー陽子の磁気圏遮蔽切断緯度のリアルタイム変動を測定すること。
• 切断緯度のシフトを分析することで、磁気ストームが地球の内部磁気圏への宇宙線到達に与える影響を評価すること。
• IGRF-11およびTS05磁気圏場モデルを用いた軌道追跡モデルと照合して、PAMELA測定値を検証すること。
• 観測された切断緯度変動を磁気指数（Kp、Dst、Sym-H）および太陽風パラメータと相関させること。
• 特に低剛性陽子に対して、ストーム状態下での磁気圏遮蔽の低下度合いを定量化すること。

提案手法

• 2006年12月12日～18日のPAMELA衛星データを用い、80 MeV～3 GeVエネルギー範囲の陽子フラックスおよび方位分布を測定した。
• 切断緯度は、個々の94分間の軌道ごとに平均化された、測定された陽子フラックスの非対称性およびエネルギースペクトルから導出された。
• IGRF-11モデルは地球内部磁場を記述したのに対し、TS05モデルは外部のストーム時磁場をモデル化した。
• T96およびTS05モデルを用いた軌道追跡により、粒子の経路をシミュレートし、観測値と比較可能な切断緯度を予測した。
• 太陽風および惑星間磁場（IMF）パラメータ（Bx、By、Bz、動圧、速度、密度）を分析し、切断緯度変動と相関させた。
• 測定された切断緯度と磁気指数（Kp、Dst、Sym-H）との間の相関係数を、3時間、1時間、1分解像度で計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽高エネルギー粒子イベントに伴い、短時間スケール（1軌道単位）で磁気圏遮蔽切断緯度はどのように変動するか？
• RQ2 強力な磁気ストーム時には、宇宙線の磁気圏遮蔽がどの程度低下するか？
• RQ3 実験的磁場モデル（TS05、T96）は、PAMELA測定値と比較して、観測された切断緯度変動をどの程度正確に再現できるか？
• RQ4 観測された切断緯度変動と標準的な磁気指数（Kp、Dst、Sym-H）との相関はいかほどか？
• RQ5 太陽風およびIMF条件は、ストームイベント期に観測された切断緯度変動をどのように制御するか？

主な発見

• 12月14日～15日のストーム主要段階期に、剛性約0.43 GV（エネルギー～80 MeV）の陽子に対して、磁気圏遮蔽切断緯度の最大抑制が約6°に達した。
• 剛性が高くなるにつれて切断緯度変動は減少し、エネルギー約3 GeVの陽子では最大で約2°の抑制が観測された。
• TS05モデルはT96モデルよりもPAMELA測定値とより良好に一致したが、ストーム主要段階期には最大で2％の過剰推定を示した。
• 測定された切断緯度変動と磁気指数との相関係数は、Kpで0.8、Dstで0.78、Sym-Hで0.78であり、時間的整合性が極めて高いことを示した。
• ストーム初期段階ではKpとの一致が良好であったが、DstおよびSym-H指数は主期および回復期の切断緯度変動とより強く相関していた。
• 観測された切断緯度変動は、CME駆動の太陽風擾乱に伴う動的磁気圏応答と整合的であり、特にBz成分が南向きの状態で顕著に現れた。