(GLEs) observados por diferentes monitores de neutrones

Análisis de los Ground Level Enhancements (GLEs)
observados por diferentes monitores de neutrones (NM)
Edwin J. Catalán (edwin.catalan@calmanm.es)
Oscar García Población (oscar@aut.uah.es)
Juan José Blanco (juan.blanco@uah.es)
Miguel Angel Hidalgo Moreno (miguel.hidalgo@uah.es)
Javier Rodriguez-Pacheco (javier.rpacheco@gmail.com)
José Medina (jose.medina@uah.es)
Parque Científico y Tecnológico de Guadalajara
(GUADALAB - SRG(UAH))
Análisis del GLE en un NM
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Monitor de Neutrones (NM)
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Ground Level Enhancement (GLE)
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Forbush Decrease (FD)
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Índice Dst
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Análisis de diferentes GLEs
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Conclusiones
Monitor de Neutrones (NM)
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Un monitor de neutrones(NM) mide el número de partículas de alta energía que llegan a la Tierra. Estas partículas, son los
llamados rayos cósmicos (RC).
Existe una red global de NM, en la cual se tienen todos los datos de los diferentes estaciones, que están adscritos. Neutron
Monitor Data Base (NMDB).
La intensidad de los RC que llegan a un NM no es uniforme, por eso la importancia de tener NM en diferentes latitudes de la
Tierra.
Simulación con GEANT4(simula el paso de las partículas a través de detectores). El objetivo es comparar la respuesta que
tiene la nueva estación de monitor de neutrones, (CaLMa).
El Monitor de Neutrones de Castilla-La Mancha (CaLMa) se encuentra en Guadalajara(40º66'N,3º16'W) (España).
Monitor de Neutrones (NM)
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En función de su localización geomagnética, los monitores cuentan
partículas incidentes por encima de una rigidez umbral(R).
La rigidez magnética (R) es una medida de la resistencia de una
partícula a ser desviada por un B.
Todas las partículas con la misma R, seguirán trayectorias identicas.
Un NM depende de su latitud geográfica y en menor medida en su
longitud geográfica.
Las diferencias en el registro de cuentas, de las diferentes estaciones,
son consecuencia de su localización geomagnética.
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Un NM registra aumentos y disminuciones en la intensidad de
los RC como son los eventos denominados Ground Level
Enhancements(GLEs) y los Forbush Decreases(FDs).
Los NM en los polos, registra cuentas en un rango más amplio
del espectro E.M. en comparación con el Ecuador, por tener
un umbral de rigidez menor.
CaLMa tiene un umbral de rigidez(R=6.95GV), E=6.07GeV.
Ground Level Enhancement (GLE)
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➢
➢
Un Ground Level Enhancement(GLE) es el
incremento en la intensidad de los rayos cósmicos
(RC), que se detecta en un NM situada en Tierra.
La intensidad varía entre minutos y horas.
Estos eventos que se detectan en Tierra, están
correlacionados en algunos casos con sucesos muy
energéticos que tiene lugar en el Sol, durante los
cuales se observan:
➢
- Intensas fulguraciones, los llamados Flares.
➢
- Grandes eyecciones de masas coronales (EMCs)?.
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➢
➢
En las gráficas se muestran las respuestas de tres
distintas estaciones de NM.
En la gráfica de arriba se muestra dos GLEs ocurridos
el 15 y el 18 de abril 2001. La gráfica está realizada
con datos oroginales(crudos).
En la gráfica de abajo, en las mismas fechas, se
muestran los datos normalizados, para poder
observar la respuesta real de las tres estaciones de
monitor de neutrones.
Forbush Decrease (FD)
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➢
El Sol, arroja enormes nubes de gas caliente, en mayor
medida si se encuentra en un máximo de ciclo solar.
Estas nubes, llamadas CMEs (Ejecciones de Masa
Coronales), contienen no sólo gas sino también intensos
campos magnéticos.
El Forbush Decrease(FD) consiste en la disminución de
cuentas registradas en un NM. Los campos magnéticos,
que se hay en las nubes magnéticas, desvían las
partículas cargadas que llegan a la Tierra.
Monitorizando estos descensos repentinos en la
intensidad, contrariamente a lo que se intuía, la cantidad
de rayos cósmicos(RC) desciende cuando la actividad
solar es elevada.
Las fulguraciones pueden estar correlacionadas con este
descenso Forbush?.
En la gráfica se observa el descenso Forbush de siete
diferentes estaciones de monitores de neutrones, a
diferentes latitudes geográficas.
El FD es más abrupto para cortes de rigideces(R)
pequeñas como la estación en el polo(oulu) y menor para
estaciones situadas en el Ecuador. FD(44) observado el
29 de octubre del 2003. Duración de (2 - 4 días).
Indice Dst
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➢
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El Dst, proporciona una medida de la perturbación de
la componente horizontal del campo magnético
terrestre a latitudes próximas al ecuador.
El valor mínimo que alcanza se conoce con el
nombre de Dst pico y es el valor considerado para
estimar la intensidad de una tormenta.
Una tormenta será intensa si el Dst pico es menor
que -100 nT.
Se observa una primera fase (o fase principal) donde
el índice disminuye hasta valores muy negativos
debido a la inyección de una gran cantidad de
energía a la magnetñósfera procedente del viento
solar, lo que conduce a un aumento en el anillo de
corriente.
En una segunda fase (o fase de recuperación), el
índice Dst se recupera con una tendencia
exponencial hasta alcanzar un valor próximo a cero,
considerándose que la magnetosfera ha recuperado
su estado de equilibrio.
En la gráfica de la derecha se muestra el índice Dst
del 1-31 de Diciembre del 2006.
Relación entre GLE y fulguración
Hacemos un estudio sistemático de 10 GLEs pertenencientes al ciclo solar 23 y sus
correspondientes fulguraciones(si es que existe) para las mismas fechas en que se dio
esos eventos.
En la siguiente diapositiva se muestra una tabla en donde se tiene en cuenta los GLEs y
las fulguraciones, su posible correlación de estos dos sucesos y la respuesta en Tierra
mediante un monitor de neutrones(NM).
t_ini_GLE; es el tiempo inicial en le que se produce un Ground Level Enhancement.
t_pic_GLE; es el tiempo, del pico máximo, en la que se produce un Ground Level
Enhancement.
t_ini_X-ray; es el tiempo inicial en la que se produce los rayos X debida a una
fulguración.
t_pic_X-ray; es el tiempo, del pico máximo, en la que se produce los rayos X debida a
una fulguración.
Dif_pic; es la diferencia de picos de un GLE y de rayos X.
Los recuadros vacios, son aquellos datos que no son precisos y/o correctos.
Relación entre GLE y fulguración
GLE
(UT)
GLE
(UT)
X-ray
(UT)
X-ray
(UT)
Número
del GLE
Fecha
Increase
rate %
Clase de
Fulguración
intensidad
Región
Activa
Posición
t_ini_GLE
t_pic_GLE
t_ini_Xray
t_pic_Xray
Dif_pic
(minutos)
v (picos)
(m/s)
x10⁸
t
(minutos)
55
6. nov.
1997
11,00%
X9,4
8100
S18W63
11:55
13:15
11:49
11:55
80
0,28
88,32
56
2. may.
1998
7,00%
X1,1
8210
S15W15
13:45
14:10
13:31
13:42
28
0,69
36,32
57
6. may.
1998
4,00%
X2,7
8210
S11W65
8:25
9:15
7:58
8:09
66
0,35
74,32
59
14. jul.
2000
30,00%
X5,7
9077
N22W07
10:30
10:55
10:03
10:25
30
0,65
38,32
60
15. abr.
2001
57,00%
X14,4
9415
S20W85
14:00
14:35
13:19
13:50
45
0,47
53,32
61
18. abr.
2001
5,00%
C2,2
9415*
S20 W
Limbo
2:25
3:10
2:11
2:45
25
0,75
33,32
67
2. nov.
2003
6,00%
X8,3
10486
S14W56
X
X
17:03
17:25
68
17. ene.
2005
3,00%
X3,8
10720
N15W25
X
X
6:59
9:52
69
20. ene.
2005
269,00%
X7,1
10720
N14W61
6:40
7:10
6:36
7:01
9
1,44
17,32
70
13. dic.
2006
92,00%
X3,4
10930
S06W23
2:35
3:05
2:14
2:40
25
0,74
33,32
Tiempo de vuelo
➢
➢
➢
➢
➢
➢
De la tabla anterior calculamos el tiempo de
vuelo de las partículas, su velocidad y su
tiempo de retraso.
En la gráfica de la derecha se comparan
velocidad, tiempo de vuelo y retraso del
tiempo de vuelo, de los diferentes GLEs
seleccionados,
mediante
los
datos
experimentales obtenidos y la teoría.
Se observa de las gráficas que los tiempos
vuelo y de retraso son razonables.
Las velocidades son consistentes con la
teoría, puesto que se puede observar que a
energías bajas las gráfcias son similares y a
energías elevadas(energías relativistas) la
velocidad es el de la luz.
Todas las partículas de cada GLE salen de
la misma región activa (AR).
El tiempo de resolución de cada evento son
de 5 minutos.
Selección de GLEs
Revisamos los GLEs mas importantes desde
1997-2006 que abarca el ciclo solar 23.
➢
➢
Eventos GLE son seleccionados para un
Incremento > 10%.
Los eventos GLEs asociados a fulguraciones es
nuestro objetivo.
Análisis del GLE en un NM
Los dos primeros recuadros son; el flujo en rayos-X tomadas del satélite GOES y el de
abajo son los registros de cuentas, tomadas por un monitor de neutrones. Como se
puede observar, tienen el mismo aumento (picos apreciables de los 2 máximos tanto
por le satélite como por el NM) pero con medida de tiempos bien diferenciados(poco
apreciable en las dos gráficas superiores, a primera vista).
Los dos siguientes recuadros(3ro y 4to) son las energías tomadas por el satélite
SOHO(EPHIN). El tercero es el canal integral(53MeV/n) y el cuarto son, tres perfiles
de diferentes rangos de energías del flujo de e-, las cuales van desde 4.3-7.8MeV,
7.8-25MeV y 25-33MeV (verde, rojo y negro) respectivamente.
Las siguientes gráficas son parámetros importantes, en la conexión Sol-Tierra, como
la densidad de protones, la temperatura, el campo magnético, la velocidad del viento
solar y su respuesta en la atmósfera terrestre debida al índice Dst. Eje x está en días
del año (Doy). Se tiene el GLE 60 y GLE 61, se observó el 15 y 18 Abril de 2001.
Análisis del GLE en un NM
Fulguración solar X9,4. Se dió al inicio del ciclo solar 23. AR8100, S28W63.
➢
➢
Se puede ver en la gráfica ampliada que los tiempos de medida son
diferentes. Tomadas por el satélite GOES(en rayos X) (gráfica de arriba) y
por un NM (Ground Level Enhancement) (gráfica de abajo).
El 5to, 6to, 7mo y 8vo recuadro son los parámetros del medio interplanetario
como la densidad de protones, velocidad del viento solar, la temperatura y el
campo magnético, respectivamente. Estos datos son obtenidos a traves del
satélite ACE.
El GLE 55 se observó el 6 de Noviembre de 1997.
Análisis del GLE en un NM
Las respuestas de los dos satélites, GOES(1er recuadro) y SOHO
(3er y 4to recuadro) tienen una respuesta similar para rayos X y
partículas muy energéticas, respectivamente.
En el 2do recuadro, se tiene la medida de tres distintos monitores
de neutrones(a primera vista no se observan las 3 curvas),
comprobando que la respuesta del registro de cuentas de
partículas energéticas, tiene relación directa con una fulguración
en el sol.
El GLE 59 se observó el 14 de Julio de 2000 (Día de la Bastilla)
Análisis del GLE en un NM
Fulguraciones solar X7,1 acompañada de EMCs, se llevó a cabo en
enero de 2005. AR10720, S06W23.
Se inició (X7,1) a las 06:36 UT y tuvo un pico de emisión a las 07:01
UT (GOES). La fulguración dió lugar a un GLE (69) . GLE 69, t
inicial fue 6:40 UT con un pico a las 7:01 UT.
El fondo de la actividad geomagnética relativamente tranquila que
luego de 2 días, llegó a un nivel correspondiente a una tormenta
magnética pequeña.
GLE 69, 20 de enero 2005.
Análisis del GLE en un NM
El GLE debida a una ¿fulguración y/o EMC? de una región activa(A.R.)
y su respuesta de este evento mediante el viento solar y el índice Dst.
Nos muestra que el suceso que se dió en el Sol y llego a la atmósfera
terrestre después de 2 días. Esto es razonable teniendo en cuenta que
la velocidad de dicha nube es alrededor de los 1000Km/s.
El suceso que se dió en la atmósfera terrestre fue acompañada de una
intensa tormenta magnética(>-100nT) como se puede ver en el último
recuadro del gráfico de la izquierda.
GLE 70, 13 de diciembre 2006.
Conclusiones
➢
➢
➢
➢
➢
NM mide aumentos y descensos de la intensidad de RC solares, como son los Ground Level
Enhancements(GLEs) y Forbush Decreases(FDs).
La descripción de diferentes GLEs nos provee información cualitativa, sobre la evolución de los
RC solares y su efecto en la atmósfera terrestre, debido a una región activa(A.R.).
Hacemos un estudio de 10 GLEs y su correspondiente fulguración asociada. Seleccionamos
de estos sucesos, aquellos que tengan un aumento superior o igual al 10% en un NM para
correlacionar con una fulguración.
Parece que existe una relación importante para eventos GLEs con Fulguraciones para flujos
energéticos de 0,2.10⁻⁴ W/m² y 0,3.10⁻⁵ W/m², aunque no implican una relación directa (Firoz
et al., 2011).
Los tiempos de vuelos se hallan con los máximos de los picos de las Fulguraciones y los
eventos GLEs. Su resultado es lo esperado y razonable.
Existe una relación directa entre GLEs y fulguraciones?. Parece ser que pudiese darse el caso
para algunos casos en particular, sobre todo cuando el evento energético tenga un valor dado.
Esto es aún nuestro objetivo!!!.
➢
Los datos de los GLEs lo obtenemos de la NMDB y los datos de los rayos X del satélite GOES.
Asi mismo hacemos un análisis de los eventos mencionados, su respuesta en Tierra y su
conexión con el medio interplanetario a través del viento solar. Estos datos se obtiene de ACE.
Bibliografía
➢
Dorman, L., Pustilnik L., Adv. Space Res., 31, 847:852, 2003.
➢
Kruger, H. et al., Proceedings, 1, 741:744, 2008.
➢
Belov, A. et al., Annales Geophysicae, 23, 2281:2291, 2005.
➢
Bieber, J. et al., Geophysical Research Letters, 32, L03S02, doi:10.1029 /
2004GL021492, 2005.
➢
Kuwabara, T. et al., Space Weather, 4, S08001, doi:10.1029/ 2005SW000204, 2006.
➢
Reames, D. et al., The Astrophysical Journal, 693, 812:821, 2009.
➢
Firoz, A. et al., Journal of Geophyscial Research, 116, A04101, doi:10.1029/
2010JA016171, 2011.
Agradecimientos
Agradezco a la NMDB, SOHO-EPHIN, ACE y GOES, por facilitar sus datos.
Gracias