[论文解读] 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. Navia+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2016

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 3

一句话总结

本研究调查了2015年10月29日发生的地磁极光增强（GLE）事件，该事件由巴西里约热内卢的新图皮μ子望远镜和地面中子监测器探测到。尽管信号置信度较低（≤2%的增幅），该事件仍被归类为GLE 73，原因在于其与日冕物质抛射驱动的激波波前产生的太阳高能粒子（SEPs）相关，且通过日球电流片折叠结构引导至地球，同时在高纬度探测器（包括南极中子监测器和IceTop）中被观测到。

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.

研究动机与目标

• 评估2015年10月29日事件是否可被认定为太阳活动第24周期中的新地磁极光增强（GLE）事件。
• 研究日球电流片折叠在将日面西缘后方CME产生的太阳高能粒子（SEPs）引导至地球过程中的作用。
• 评估地面探测器（特别是位于南大西洋异常区的南新图皮望远镜）对相对论性粒子事件的敏感性。
• 将地面观测与航天器数据（ACE、GOES）以及高纬度中子监测器（南极、图勒）的数据进行关联，以验证该事件的分类。

提出的方法

• 利用包括巴西尼泰罗伊市的新图皮μ子望远镜（4个闪烁体探测器，127毫米PMT，1 Hz采样）在内的地面探测器，分别在望远镜模式和计数器模式下运行。
• 分析新图皮探测器中粒子计数率的增强，重点关注通过符合率和单次撞击率获得的垂直、西向和东向入射μ子。
• 将地面数据与ACE和GOES的航天器观测结果进行关联，追踪太阳风密度、星际磁场变化以及辐射风暴的开始时间。
• 与南极、麦克默罗和图勒的中子监测器数据交叉比对，这些探测器均属于NMDB网络，以验证事件的时间和幅度。
• 使用WSA-ENLIL日球模型模拟太阳风动力学，并验证地球于2015年10月29日穿越日球电流片折叠的模拟结果。
• 通过ACE数据评估地磁效应，并观察到在边界穿越期间探测器计数率出现轻微下降，表明存在短暂的地磁扰动。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管置信度较低，2015年10月29日事件是否仍可被认定为太阳活动第24周期中的新地磁极光增强（GLE）事件？
• RQ2 为何在缺乏直接X射线辐射的情况下，后缘西侧CME仍能产生可探测的相对论性粒子？
• RQ3 日球电流片折叠在将太阳高能粒子输运至地球的过程中起到了多大程度的促进作用？
• RQ4 为何位于南大西洋异常区的新图皮探测器尽管灵敏度低于高纬度探测器，却仍记录到明显的μ子峰值？
• RQ5 在磁层边界穿越期间出现的地磁扰动在多大程度上调制了地面探测器的响应？

主要发现

• 2015年10月29日事件被归类为GLE 73，是太阳活动第24周期中继2012年5月17日事件后第二个潜在的GLE事件。
• 2015年10月29日发生的部分晕状CME位于日面西缘后方，其产生的SEPs通过日球电流片折叠结构传播至地球，尽管不存在直接的磁连接。
• 位于里约热内卢的新图皮探测器记录到一个明显的μ子计数率峰值，置信度约为2%，与SEPs到达时间一致。
• 高纬度中子监测器（南极、图勒）以及IceTop空气簇射探测器也记录到计数率的小幅但相关联的增加。
• 地球穿越日球电流片折叠导致轻微地磁扰动，ACE数据中可观察到该现象，并在新图皮和图勒探测器中表现为计数率的轻微下降，表明存在调制效应。
• 新图皮探测器位于南大西洋异常区，其地磁刚性截止值较低，因此对相对论性粒子的敏感性增强，使其即使在低信号水平下也能实现探测。