Μελέτη Ηλιακών Πρωτονικών Γεγονότων ( Solar Proton Events - SP Ε s )

1. Μελέτη Ηλιακών Πρωτονικών Γεγονότων (Solar Proton Events - SPΕs) Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο ΑθηνώνΤμήμα Φυσικής - Τομέας Πυρηνικής Φυσικής και Στοιχειωδών Σωματιδίων Σταθμός Καταμέτρησης Κοσμικής Ακτινοβολίας Γεροντίδου Μαρία Email: mgeront @phys.uoa.gr http://cosray. phys. uoa. gr

2. Outline • Τι είναι SPE; • Γιατί ενδιαφερόμαστε για τα SPE; • Μετρήσεις /καταγραφές SEP • Δημιουργία Διεθνούς βάσεως • Mελέτη – επεξεργασίατης βάσης • Χρήσιμα συμπεράσματα • Εφαρμογές

3. 1-8 Å – XI (Classification) 0.5- 3 Å - XS Ηλιακά ενεργητικά σωματίδια (Solar Energetic Particles-SEP) ελευθερώνονται από ηλιακές εκλάμψεις ή/ και στεμματικές εκτοξεύσεις μάζας στο διαπλανητικό χώρο. Ηλιακό πρωτονικό γεγονός (Solar proton Event-SPE) είναι η απότομη αύξηση του πληθυσμού των πρωτονίων με ένταση >10 σωμάτια/cm²s sr (pfu) και ενέργεια >10 ΜeV, όπως μετρούνται από τους δορυφόρους στην τροχιά της Γης (1ΑU) NOAA SEC Καταγραφή ροής ΧR ηλιακής ακτιοβολίας(επάνω διάγραμμα), πρωτονίων (μεσαίο διάγραμμα), μαγνητικό παεδίο και ΝΜ. >1 MeV, >5 MeV, >10 MeV, >30 MeV, >50 MeV >60 MeV και >100 MeV ( μωβ, μπλε, πράσινη, καφέ, μπλε σκούρο, πράσινο ανοιχτό, κόκκινη γραμμή αντίστοιχα http:// www. ngdc.noaa.gov

4. Δημιουργία SEP (Αίτιο – Αιτιατό) Γρήγορη εξέλιξη ηλιακού μαγνητικού πεδίου Επανασύνδεση; ΗΛΙΑΚΗΕΚΛΑΜΨΗ Γρήγορη θέρμανση Επιτάχυνση σωματίων ΕΚΤΟΞΕΥΣΗ ΥΛΙΚΟΥ λόγω θέρμανσης Διάδοσησωματίων σε απόσταση 1 AU ΔΙΑΠΛΑΝΗΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΡΑΧΗ ΗΛΙΑΚΟ ΠΡΩΤΟΝΙΚΟ ΓΕΓΟΝΟΣ ( SPE) ΓΕΩΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΚΑΤΑΙΓΙΔΑ (GEOMAGNETIC STORM) ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΠΟΛΙΚΗΣ ΧΟΑΝΗΣ (POLAR CAP ABSORPTION) ΣΕΛΑΣ (AURORA) (Miroshnichenko, 2001) Κεφαλαία - παρατηρήσιμα φαινόμενα μικρά -διαδικασίες ή περιγραφικά χαρακτηριστικά.

5. Δημιουργία SEP (Αίτιο – Αιτιατό) Γρήγορη εξέλιξη ηλιακού μαγνητικού πεδίου Aστάθεια Επανασύνδεση ΣΤΕΜΜΑΤΙΚΗ ΕΚΤΟΞΕΥΣΗ ΜΑΖΑΣ ( CME) επανασύνδεση ? ΕΚΛΑΜΨΗ Μεγάλης ταχύτητας Εκρηκτική προεξοχή Μικρής ταχύτητας Επιτάχυνση σωματίων INTERPLANETARY SHOCK Επιτάχυνση σωματίων CME κινούμενη προς τη Γη Δυτική έκλαμψη CME ορατό ημισφαίριο ΓΕΩΜΑΓΝΗΤΙΚΗΚΑΤΑΙΓΙΔΑ ΣΕΛΑΣ IMPULSIVE SPE GRADUAL SPE χρόνος καθυστέρησης 1-4 ημέρες Λεπτά--ώρες Ώρες -ημέρα διάρκεια ημέρες ημέρες ώρες

6. Γιατί ενδιαφερόμαστε για τα SPE? SPEs Διαστημικός καιρός (Space weather) http:// spaceweather.com/glossary/srs.html

7. Βιολογικές επιπτώσεις Τεχνολογικά συστήματα • Ασφάλεια αστροναυτών (EVA) • Υψηλή δόση ακτινοβολίας πληρωμάτων/επιβατών αεροπλάνων σε μεγάλα πλάτη (μέχρι 100 chest-XRs-S5 • μέχρι 10chest-XRs –S4) Δορυφορικά • Σοβαρές βλάβες των μικρο-ηλεκτρονικών των δορυφόρων/ Απώλεια του δορυφόρου(S5). • Single events upsets-Απώλεια δεδομένων-Δημιουργία θορύβου στα συστήματα απεικόνισης- (S2,3 και S4). Επίγεια • Blackout σε δίκτυα ηλεκτροδότησης/ διακοπή των HF ραδιοεπικοινωνιών/ τηλεπικοινωνίες (S5-S3) • Επίδραση στα συστήματα πλοήγησης (GPS) (S5-S3)

8. Καταγραφές πρωτονίων • Πρωτόνια στην ενεργειακή περιοχή 10-100 MeV METEOR IMP 5,7,8,9 VENERA PROGNOZ GOES Ανιχνευτές αερόστατα Ύψη 40km ως 70 km από την επιφάνεια της θάλασσας. SOHO ULYSSES ACE • Πολύ μεγάλης ενέργειας πρωτόνια >500MeV Μετρητές νετρονίων Σχηματική ιστορική αναπαράσταση τεχνικών καταγραφής και ενεργειακά κατώφλια των κοσμικών ακτίνων.

9. Δημιουργία βάσης Ολοκληρωμένα ενεργειακά φάσματα πρωτονίων Διαγράμματα έντασης – χρόνου πρωτονίων σε διάφορα ενεργειακά κανάλια ΜΕΤΕΟR IMP 5,7 Balloons 1970-1974 1975-1986 ΙΜΡ-8 GOES Ολοκληρωμένες ροές με ανάλυση 5min / 1 ώρας στις ενέργειες >10 MeV και >60MeV και για >100 MeVαναγόμενα από το κανάλι >106 MeV ΙΜP-8 GOES 5-12 1987-2001 Ολοκληρωμένες ροές πρωτονίων με ανάλυση 5 λεπτών στις ενέργειες 10 MeV, >60 MeV και >100 MeV GOES 2002 - 2007

10. Database NGDC ( ftp://ftp.ngdc.noaa.gov/STP/ SOLAR_DATA/SOLAR FLARES) Solar Maximum Mission Δεδομένα CME, μαγνητικό πεδίο SOHO Δεδομένα έντασης της νουκλεονικής συνιστώσας της Κ.Α. (GLEs) (ΝΜ World Data Center - IZMIRAN)

11. Δείγμα Βάσης 258 καλά προσδιορισμένων πρωτονικών γεγονότων για το χρονικό διάστημα 1970-2005 Πρωτονικό γεγονός Συνδεδεμένηέκλαμψη

12. Δείγμα βάσης 1274 πρωτονικών επαυξήσεων για το χρονικό διάστημα 1975-2007 25 στήλες • ημερομηνία της έκλαμψης • Tonset της έκλαμψης. • Ένταση της έκλαμψης στην περιοχή ακτινών Χ του φάσματος • Ένταση της έκλαμψης στην περιοχή ακτινών Χ του φάσματος σε μονάδες Watt/m2 • ολική διάρκεια της έκλαμψης • χρόνος ανόδου της έκλαμψης • ο χρόνος καθόδου • λόγος του χρόνου καθόδου προς τον ολικό χρόνο της έκλαμψης • ολοκληρωμένη ροή πρωτονίων ως προς τη διάρκεια της έκλαμψης • η ένταση στο κανάλι 0.5 Α της περιοχής Χ του φάσματος • ένταση στην οπτική περιοχή του φάσματος • ηλιογραφικό πλάτος της έκλαμψης • ηλιογραφικό μήκος της έκλαμψης • δίνεται ο αριθμός των ηλιακών κηλίδων • δείκτης εμπιστοσύνης • ροή των πρωτονίων με ενέργεια >10MeV • ροή των πρωτονίων με ενέργειες >60MeV • ροή των πρωτονίων με ενέργειες >100MeV • ο χρόνος υστέρησης • φασματικός δείκτης του λόγου των πρωτονίων με ενέργειες 10 MeV /100 MeV. • θερμοκρασία της έκλαμψης • η μέτρηση της εκπομπής ενέργειας • το μήκος του βρόγχου της ηλιακής έκλαμψης • χρόνος σε ώρες μεταξύ της έκλαμψης και της έναρξης καταιγίδας(SSC). • παρατηρήσεις για κάθε γεγονός.

13. Μελέτη των SPE • Συντελεστές συσχέτισης SPE- ηλιακές παραμέτρους r = 0.94 για SXR≥Μ5 Προσαρμογή νόμου δύναμης • Ηλιογραφική κατά μήκος κατανομή Προτιμητέα περιοχή 30ºΕ-75ºW για ενέργεια >10MeV Περιοχή για τα GLE W-μετατοπισμένη 30 ºΕ ηλιογραφικό όριο για τα GLE

14. Ηλιογραφική κατά πλάτος κατανομή Ολικός αριθμός εκλάμψεων Ν =62000 Μαύροι κύκλοι –όλες οι εκλάμψεις Άσπροι κύκλοι οι εκλάμψεις που έδωσαν πρωτονικές επαυξήσεις. Κατανομή πεταλούδας (Maunder)

15. Χρόνος υστέρησης Χρόνος υστέρησης ΔΤ= Τmax- Τonset 2 και 10 h- max 3 με 4 h.. Ευρεία κατανομή -επίδραση της ηλιογραφικής κατά μήκος θέσης των συνδεδεμένων εκλάμψεων. Μονότονη και σχεδόν γραμμική αύξηση χρόνου υστέρησης από το κέντρο του Ήλιου προς τα ανατολικά. Σχεδόν οι μισές ανατολικές(48%) ΔΤ>20 ωρών Τα πιο γρήγορα , 60 ºW -90 ºW

16. Ένταση ηλιακών εκλάμψεων και ροή πρωτονίων Μέτρια ηλιακή καταιγίδα κλίμακας S2- έκλαμψη ≥Χ1 (10-4 Watt/m2) Ηλιακή καταιγίδα κλίμακας S1- έκλαμψη >Μ5 (5 10-5 Watt/m2) Μέση τιμή SPEs συναρτήσει της μέσης τιμής όλων των XR εκλάμψεων .

17. Ένταση έκλαμψης – Πιθανότητα παραγωγής πρωτονίων Περιοχή C3-M1 πιθανότητα παίρνει κάποια τιμή SXRεκλάμψεις >M4 αύξηση πιθανότητας σε όλα τα κατώφλια ενέργειας και ροής Πάνω από τις μισές ηλιακές εκλάμψεις έντασης ≥Χ1 απελευθερώνουν πρωτόνια με ενέργειες >10MeV 40% των SXR εκλάμψεων ≥ Χ1 απελευθερώνουν υψηλά ενεργειακά πρωτόνια >100ΜeV Όλες εκλάμψεις >Χ10 απελευθερώνουν πρωτόνια με ενέργειες >10MeV και>100MeV, ενώ πάνω από τις μισές παράγουν GLE

18. Εφαρμογή της μεθόδου Garcia (2000) στη βάση Χωρική και θερμική ανακατασκευή των ηλιακών εκλάμψεων Πειραματικές μετρήσεις στην περιοχή ακτίνων Χ (GOES)-μετρήσεις YohkohSXT Θεωρητικοί αναλογικοί νόμοι (scaling laws) + Μοντέλο Garcia Υπολογισμός του μήκους του βρόχου από μετρήσιμα χαρακτηριστικά της έκλαμψης στη περιοχή Χ του φάσματος. • Αναλογικός νόμος RTV (Rosner, Truker and Vaina,1978) • Αναλογικός νόμος Sylwester (1998) • Αναλογικός νόμος -Hawely et al.(1995) Metcalf and Ficher (1996)

19. Χρόνος ζωής έκλαμψης (βασική θεώρηση) Χρόνος ανόδου- περίοδος ισχυρής εξάτμισης βρόχου (strong evaporation) Χρόνος καθόδου - περίοδος ισχυρής συμπύκνωσης βρόχου (strong condesing) Ισχυρή εξάτμιση Ισχυρή συμπύκνωση (1) ρυθμό μεταβολής πυκνότητας στήλης βρόχου χρόνος ανόδου πυκνότητα των σωματίων παράμετρος περίπτωση φάσης συμπύκνωσης χρόνος καθόδου (Jakimiec et al., 1992) σταθερά Boltzman ρυθμό μεταβολής της πίεσης φάση εξάτμισης Μέσος ρυθμός απώλειας θερμότητας (Fisher and Hawley, 1990) θερμοκρασία κορυφή βρόχου τιμή μεταβλητής μετά χρόνο συντελεστής Spitzer

20. ημι-μήκος του βρόχου Yohkoh. Σχέση (1) + πειραματικά δεδομένα YohkohSXT όπου 1991-1995(SXT) Επαναπροσδιορισμός του θεωρητικού εκθέτη (1976-1996 ) Διόρθωση (εκλάμψεις μακριά από τα όρια του δίσκου) ηλιογραφικό πλάτος απόσταση από το κέντρο του ηλιακού δίσκου ln (2) d σ=1.7•104km όπου

21. Ελάχιστη τιμή τd για απελευθέρωση πρωτονίων στο διαπλανητικό χώροτd=1.5 103sec

22. Το μήκος του βρόχου των εκλάμψεων που απελευθερώνουν πρωτόνια στο διαπλανητικό χώρο πρέπει να είναι L≥ 5-6 104km (Gerontidou et al., 2005)

23. Το ποσοστό των συνδεδεμένων με πρωτονικές επαυξήσεις • αυξάνεται με την αύξηση του μήκους του βρόχου • μειώνεται με την αύξηση της μέγιστης θερμοκρασίας. Το μήκος του βρόχου φαίνεται να είναι κυρίαρχη συνάρτηση στην πιθανότητα παραγωγής πρωτονίων. Εκλάμψεις >Χ3 (όχι παράσταση)

24. Εφαρμογές • Η νέα αυτή βάση δεδομένων μπορεί να αποτελέσει ένα χρήσιμο εργαλείο τόσο για θεωρητικές όσο και για εφαρμοσμένες μελέτες. • Οι βασικοί παράμετροι των εκλάμψεων-πηγών των πρωτονικών γεγονότων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση ήδη υπαρχόντων μοντέλων ηλιακών ενεργητικών σωματιδίων ή τη δημιουργία καινούργιων στα πλαίσια του Διαστημικού Καιρού. • Η βάση αυτή των πρωτονικών γεγονότων χρησιμοποιείται στο πρόγραμμα εντοπισμού του χρόνου έναρξης των μεγάλων πρωτονικών γεγονότων που καταγράφονται στους Μετρητές Νετρονίων που λειτουργεί στο Κέντρο Συλλογής και Επεξεργασίας Δεδομένων (ANMODAP Center) του Πανεπιστημίου της Αθήνας. (http://cosray.phys. uoa.gr)