[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究利用PAMELA卫星数据，测量了2006年12月太阳粒子事件期间高能质子（≥80 MeV）的地磁截止纬度的实时变化，发现在强地磁暴主相期间，截止纬度最大向赤道方向移动了6°。结果经TS05和T96地磁场模型验证，与地磁指数（Kp、Dst、Sym-H）具有强相关性，表明在风暴条件下地磁屏蔽作用显著减弱。

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.

研究动机与目标

• 测量太阳高能粒子（SEP）事件期间高能质子的地磁截止纬度的实时变化。
• 通过分析截止纬度偏移，评估地磁暴对宇宙射线进入地球内磁层的影响。
• 利用IGRF-11和TS05地磁场模型，将PAMELA测量结果与轨迹追踪模型进行验证。
• 将观测到的截止纬度变化与地磁指数（Kp、Dst、Sym-H）及太阳风参数进行相关性分析。
• 量化风暴条件下地磁屏蔽作用的减弱程度，特别是对低刚度质子的影响。

提出的方法

• 使用2006年12月12日至18日PAMELA卫星数据，测量能量范围为80 MeV至3 GeV的质子通量和角度分布。
• 通过测量的质子通量各向异性和能量谱，结合单个94分钟轨道的平均值，推导出截止纬度。
• IGRF-11模型用于描述地球内部磁场，TS05模型用于模拟外部、风暴时期的地磁场。
• 利用T96和TS05模型进行轨迹追踪，模拟粒子路径，并预测截止纬度，以与观测结果对比。
• 分析太阳风和行星际磁场（IMF）参数（Bx、By、Bz、动态压强、速度、密度），以与截止纬度变化相关联。
• 在3小时、1小时和1分钟的时间分辨率下，计算测量截止纬度与地磁指数（Kp、Dst、Sym-H）之间的相关系数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在短 timescale（单个轨道）内，地磁截止纬度如何响应太阳高能粒子事件？
• RQ2 在强地磁暴期间，宇宙射线的地磁屏蔽作用减弱到何种程度？
• RQ3 与PAMELA测量结果相比，经验性地磁场模型（TS05、T96）在再现观测截止纬度变化方面表现如何？
• RQ4 观测到的截止纬度变化与标准地磁指数（Kp、Dst、Sym-H）之间的相关性如何？
• RQ5 太阳风和IMF条件如何调制风暴事件期间观测到的截止纬度变化？

主要发现

• 在12月14日至15日风暴主相期间，刚度约为0.43 GV（能量~80 MeV）的质子，地磁截止纬度最大抑制达约6°。
• 随着刚度增加，截止纬度变化减小，能量约为3 GeV的质子最大抑制约为2°。
• TS05模型与PAMELA测量结果的吻合度优于T96模型，尽管在风暴主相期间其截止纬度略高估了最多2%。
• 测量截止纬度变化与地磁指数之间的相关系数分别为：Kp为0.8，Dst为0.78，Sym-H为0.78，表明时间上高度一致。
• 风暴初始相与Kp指数一致性更好，而Dst和Sym-H指数在主相和恢复相期间与截止纬度变化的相关性更强。
• 观测到的截止纬度变化与CME驱动的太阳风扰动引起的动态磁层响应一致，尤其在IMF Bz南向条件下更为明显。