[论文解读] PAMELA's measurements of geomagnetically trapped and albedo protons

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

Astro and Planetary Science参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文基于PAMELA卫星在低地球轨道（350–610 km）对低于截止能量的质子进行了测量，利用真实磁层模型中的轨迹追踪，将这些质子分类为地磁捕获质子和再入反照率质子。主要发现表明，PAMELA数据将捕获质子观测扩展至更低的L壳层（~1.1 RE）和更高的能量（~4 GeV），与PSB97模型相比，对AP8模型的符合度更高，并揭示了反照率质子组分的详细结构，包括准捕获、沉降和伪捕获群体，尤其在地磁截止附近的小区域（半影区）表现明显。

ABSTRACT

Data from the PAMELA satellite experiment were used to perform a detailed measurement of under-cutoff protons at low Earth orbits. On the basis of a trajectory tracing approach using a realistic description of the magnetosphere, protons were classified into geomagnetically trapped and re-entrant albedo. The former include stably-trapped protons in the South Atlantic Anomaly, which were analyzed in the framework of the adiabatic theory, investigating energy spectra, spatial and angular distributions; results were compared with the predictions of the AP8 and the PSB97 empirical trapped models. The albedo protons were classified into quasi-trapped, concentrating in the magnetic equatorial region, and un-trapped, spreading over all latitudes and including both short-lived (precipitating) and long-lived (pseudo-trapped) components. Features of the penumbra region around the geomagnetic cutoff were investigated as well. PAMELA observations significantly improve the characterization of the high energy proton populations in near Earth orbits.

研究动机与目标

• 为了改进对低地球轨道高能质子群体的表征，特别是对南大西洋异常区（SAA）等高不确定性区域的表征。
• 利用真实磁层模型中的精确轨迹追踪，将低于截止能量的质子分类为地磁捕获和再入反照率质子。
• 将新的高精度PAMELA数据与经验辐射带模型（AP8和PSB97）进行对比测试。
• 研究反照率质子的结构与空间分布，包括准捕获、沉降和伪捕获组分，尤其关注地磁截止附近的小区域（半影区）。

提出的方法

• 利用真实磁层模型进行轨迹追踪，根据粒子轨迹将质子分类为地磁捕获或再入反照率质子。
• 采用高度校正的磁层坐标系（AACGM）以更准确地表示高纬度区域的粒子分布，并考虑地球多极磁矩的影响。
• 应用绝热理论分析SAA区域中稳定捕获质子的能量谱、空间分布和角度分布。
• 通过轨迹重构将反照率质子群体分离为：准捕获（赤道区域、寿命长）、沉降（寿命短、纬向扩展）和伪捕获（混沌运动、接近截止能量）组分。
• 利用SPENVIS网络工具，将PAMELA数据与AP8（UP8-min）和PSB97经验模型的预测结果进行对比，以验证模型。
• 通过识别银河系质子与反照率质子轨迹共存的区域，绘制半影区分布，并分析其刚度与纬度依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 PAMELA在南大西洋异常区对捕获质子的测量结果与AP8和PSB97经验模型的预测结果相比如何？
• RQ2 准捕获反照率质子的空间与能量分布是怎样的？其与稳定捕获质子有何不同？
• RQ3 沉降与伪捕获反照率质子组分在刚度与纬度上的变化特征如何，特别是在半影区？
• RQ4 在半影区观测到的反照率质子能谱与通量在多大程度上反映了接近地磁截止处的非绝热、混沌粒子运动？
• RQ5 PAMELA观测结果在多大程度上改进了对低地球轨道高能质子群体的理解，特别是在建模不确定性较高的区域？

主要发现

• PAMELA数据将捕获质子观测扩展至更低的L壳层（~1.1 RE）和更高的动能（~4 GeV），显著改善了低轨道辐射环境的表征。
• UP8模型高估了PAMELA捕获质子通量，而PSB97模型表现出更好的一致性，尽管未再现PSB97预测中的能谱结构。
• 准捕获反照率质子局限于低纬度区域，能量低于~8 GeV，其通量随纬度和能量的增加而平滑减小。
• 沉降反照率组分可延伸至更高纬度和高达~10 GeV的能量，表明其空间分布范围广于准捕获质子。
• 伪捕获组分在高纬度和高达~20 GeV的能量范围内占主导地位，其峰值出现在半影区，这是由于大回旋半径效应所致。
• 在半影区，银河系质子的比例随刚度和纬度增加而上升，观测到的质子成分最符合银河系与反照率组分相等的拟合结果，与PAMELA任务时期的Störmer垂直截止值一致。