Μελέτη Ηλιακών Πρωτονικών Γεγονότων ( Solar Proton Events - SPΕs) phys. uoa. gr Γεροντίδου Μαρία Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών Τμήμα Φυσικής - Τομέας Πυρηνικής Φυσικής και Στοιχειωδών Σωματιδίων Σταθμός Καταμέτρησης Κοσμικής Ακτινοβολίας

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

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 www. ngdc.noaa.gov Καταγραφή ροής ΧR ηλιακής ακτιοβολίας(επάνω διάγραμμα), πρωτονίων ( μεσαίο διάγραμμα), μαγνητικό παεδίο και ΝΜ Å - XS 1-8 Å – XI (Classification) >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

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

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

Γιατί ενδιαφερόμαστε για τα SPE? SPEsΔιαστημικός καιρός (Space weather) CategoryPhysical measureAverage Frequency (1 cycle = 11 years) ScaleDescriptor Flux level of >= 10 MeV particles Number of events when flux level was met (number of storm days**) S 5Extreme10 5 Fewer than 1 per cycle S 4Severe per cycle S 3Strong per cycle S 2Moderate per cycle S 1Minor1050 per cycle spaceweather.com/glossary/srs.html

Τεχνολογικά συστήματαΒιολογικές επιπτώσεις •Ασφάλεια αστροναυτών (EVA) •Υψηλή δόση ακτινοβολίας πληρωμάτων/ επιβατών αεροπλάνων σε μεγάλα πλάτη (μέχρι 100 chest-XRs-S5 μέχρι 10chest-XRs –S4 ) • 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). Δορυφορικά Επίγεια • Blackout σε δίκτυα ηλεκτροδότησης/ διακοπή των HF ραδιοεπικοινωνιών/ τηλεπικοινωνίες (S5-S3) •Επίδραση στα συστήματα πλοήγησης (GPS) (S5-S3)

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

Δημιουργία βάσης ΙΜΡ-8 GOES ΙΜP-8 GOES 5-12 GOES Ολοκληρωμένες ροές πρωτονίων με ανάλυση 5 λεπτών στις ενέργειες 10 MeV, >60 MeV και >100 MeV Ολοκληρωμένες ροές με ανάλυση 5min / 1 ώρας στις ενέργειες >10 MeV και >60MeV και για >100 MeV αναγόμενα από το κανάλι >106 MeV ΜΕΤΕΟR IMP 5,7 Balloons Ολοκληρωμένα ενεργειακά φάσματα πρωτονίων Διαγράμματα έντασης – χρόνου πρωτονίων σε διάφορα ενεργειακά κανάλια

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

Πρωτονικό γεγονός Συνδεδεμένη έκλαμψη Δείγμα Βάσης 258 καλά προσδιορισμένων πρωτονικών γεγονότων για το χρονικό διάστημα

Δείγμα βάσης 1274 πρωτονικών επαυξήσεων για το χρονικό διάστημα ημερομηνία της έκλαμψης 2. Tonset της έκλαμψης. 3.Ένταση της έκλαμψης στην περιοχή ακτινών Χ του φάσματος 4.Ένταση της έκλαμψης στην περιοχή ακτινών Χ του φάσματος σε μονάδες Watt/m2 5.ολική διάρκεια της έκλαμψης 6.χρόνος ανόδου της έκλαμψης 7.ο χρόνος καθόδου 8.λόγος του χρόνου καθόδου προς τον ολικό χρόνο της έκλαμψης 9.ολοκληρωμένη ροή πρωτονίων ως προς τη διάρκεια της έκλαμψης 10.η ένταση στο κανάλι 0.5 Α της περιοχής Χ του φάσματος 11.ένταση στην οπτική περιοχή του φάσματος 12.ηλιογραφικό πλάτος της έκλαμψης 13.ηλιογραφικό μήκος της έκλαμψης 14. δίνεται ο αριθμός των ηλιακών κηλίδων 25 στήλες 15. δείκτης εμπιστοσύνης 16.ροή των πρωτονίων με ενέργεια >10MeV 17.ροή των πρωτονίων με ενέργειες >60MeV 18.ροή των πρωτονίων με ενέργειες >100MeV 19.ο χρόνος υστέρησης 20. φασματικός δείκτης του λόγου των πρωτονίων με ενέργειες 10 MeV /100 MeV. 21.θερμοκρασία της έκλαμψης 22.η μέτρηση της εκπομπής ενέργειας 23.το μήκος του βρόγχου της ηλιακής έκλαμψης 24.χρόνος σε ώρες μεταξύ της έκλαμψης και της έναρξης καταιγίδας(SSC). 25.παρατηρήσεις για κάθε γεγονός.

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

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

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

• Ένταση ηλιακών εκλάμψεων και ροή πρωτονίων Μέτρια ηλιακή καταιγίδα κλίμακας S2- έκλαμψη ≥Χ1 (10 -4 Watt/m 2 ) Ηλιακή καταιγίδα κλίμακας S1- έκλαμψη >Μ5 ( Watt/m 2 ) Μέση τιμή SPEs συναρτήσει της μέσης τιμής όλων των XR εκλάμψεων.

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

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

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) πυκνότητα των σωματίων σταθερά Boltzman ρυθμό μεταβολής πυκνότητας στήλης βρόχου ρυθμό μεταβολής της πίεσης περίπτωση φάσης συμπύκνωσης (Jakimiec et al., 1992 ) παράμετρ ος χρόνος ανόδου χρόνος καθόδου τιμή μεταβλητής μετά χρόνο Μέσος ρυθμός απώλειας θερμότητας (Fisher and Hawley, 1990) φάση εξάτμισης συντελεστής Spitzer θερμοκρασία κορυφή βρόχου

Διόρθωση (εκλάμψεις μακριά από τα όρια του δίσκου) Σχέση (1) + πειραματικά δεδομένα Yohkoh SXT όπο υ Επαναπροσδιορισμός του θεωρητικού εκθέτη ημι-μήκος του βρόχου Yohkoh (SXT) ( ) ηλιογραφικό πλάτος απόσταση από το κέντρο του ηλιακού δίσκου (2) ln d σ=1.7•10 4 km όπου

Ελάχιστη τιμή τ d για απελευθέρωση πρωτονίων στο διαπλανητικό χώρο τ d = sec

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

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

 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 νέα αυτή βάση δεδομένων μπορεί να αποτελέσει ένα χρήσιμο εργαλείο τόσο για θεωρητικές όσο και για εφαρμοσμένες μελέτες. Εφαρμογές  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. ( uoa.gr)