Partículas energéticas en la heliosfera interna: observaciones multipunto con STEREO

1. Space Research Group, University of Alcalá, Spain2. IEAP, Christian-Albrechts-Universität, Kiel, Germany

R. Gómez-Herrero1, A. Klassen2, N. Dresing2, B. Heber2,J.J. Blanco1, J. Rodríguez-Pacheco1

Partículas energéticas en la heliosfera interna: observaciones multipunto con STEREO

IV Reunión Española de Física Solar y HeliosféricaAlcalá de HenaresViernes 21 de junio de 2013

Sumario• La misión STEREO

• Observaciones durante periodos de calma solar

• Observaciones durante periodos activos - sucesos SEP

con amplia distribución longitudinal

- Procesos físicos

- Observaciones (SEP 3 nov 2011)

• Conclusiones

1Observaciones multipunto con STEREO

Observaciones multipunto con STEREO 2

http://www.swpc.noaa.gov/SolarCycle/

• Solar Terrestrial Relations Observatory (STEREO) lanzado en Octubre 2006

• Fase inicial de la misión (2007-2009) coincidente con periodo extremadamente calmado

• Baja actividad solar durante el mínimo solar entre los ciclos 23 y 24

• Flujos de partículas energéticas dominados por sucesos asociados a CIRs

• Durante los primeros meses de la misión: contribución significativa de partículas de origen terrestre superpuestas a aumentos asociados a CIRs

• Tan solo unos pocos sucesos SEP pequeños

La misión STEREO – Primeras observaciones

Gómez-Herrero et al, 2009

22 Jan 23 Jan 24 Jan 25 Jan 26 Jan 27 Jan

101

102

103

104

105

STEREO/SEPT 75-85 keV electrons A B

2007

Inte

nsity

[1/(c

m2 s

sr M

eV)]

19 May 20 May 21 May 22 May 23 May 24 May

101

102

103

104

105


2007

Inte

nsity

[1/(c

m2 s

sr M

eV)]

4 Apr 5 Apr 6 Apr 7 Apr 8 Apr 9 Apr

101

102

103

104

105


2008

Inte

nsity

[1/(c

m2 s

sr M

eV)]

2 Nov 3 Nov 4 Nov 5 Nov 6 Nov 7 Nov

101

102

103

104

105


2008

Inte

nsity

[1/(c

m2 s

sr M

eV)]

2 May 3 May 4 May 5 May 6 May 7 May

101

102

103

104

105


2009

Inte

nsity

[1/(c

m2 s

sr M

eV)]

1 Nov 2 Nov 3 Nov 4 Nov 5 Nov 6 Nov

101

102

103

104

105


2009

Inte

nsity

[1/(c

m2 s

sr M

eV)]


• Sucesos de origen magnetosférico superpuestos sobre incrementos asociados a CIRs (Kronberg et al, 2011, Müller-Mellin et al, 2008)

• STA obsevaciones hasta grandes distancias upstream del bow shock terrestre (1900 RE)

• STB conectado a la región de la magnetocola hasta 1100 RE

• En la mayoría de los casos: espectro tipo ley de potencias con pendientes muy pronunciadas

• Algunos casos presentan destacadas peculiaridades espectrales:- Haces de iones casi-monoenergéticos (AMI)- Dispersión de velocidades

Observaciones cercanas a la Tierra

Gómez-Herrero et al, 2009Klassen et al, 2009


Iones energéticos asociados a CIRs• Observados por ambos s/c (con retraso por co-rotación)• La técnica de backmapping balístico permite eliminar el retraso y comparar

directamente medidas desde múltiples ubicaciones e identificar la región fuente en el Sol (agujeros coronales)

• Origen de las diferencias en las estructuras observadas por distintos s/c:• Separación latitudinal heliográfica• Evolución temporal CH• Presencia de estructuras transitorias en el viento solar (ICMEs, Gómez-

Herrero et al, 2011)

IGPP Univ. of California Riverside

00

( )S

SW

r rV


• La actividad solar aumentó durante la fase ascendente del ciclo solar 24 y varios sucesos SEP fueron observados de forma simultánea desde dos o más s/c separados por amplios intervalos longitudinales

• STEREO es una misión idealmente concebida para el estudio de las dependencias longitudinales de las propiedades de sucesos SEP

• La actividad moderada durante la fase ascendente del ciclo 24 permitió el estudio de sucesos no solapados entre si

• Las órbitas cubren separaciones longitudinales progresivas, con una distancia radial estable, siempre cercana a 1 AU (mínimo efecto de gradientes radiales)

• Cobertura remota multi-punto sin precedentes (STEREO+SDO+SOHO) combinada con una excelente disponibilidad de medidas in-situ(STEREO+SOHO+ACE+Wind+…)

• Soporte de modelos sin precedentes (modelos PFSS, modelos MHD)

Sucesos SEP: dependencias longitudinales

Observaciones multipunto con STEREO

• Aceleración o inyección en una región extensa (onda de choque coronal/IP)

• Transporte longitudinal cerca del Sol(p.ej. líneas magnética divergentes)

• Difusión perpendicular en el medio IP• Distorsión de la estructura nominal IMF• Eventos simpáticos• Combinación de varios mecanismos

(Cane and Lario, 2006)

6

Mecanismos físicos de distribución longitudinal de SEPs

AR

N

Solarsoft PFSS Package, De Rosa et al.

Source

surface

+ distorted IMF (previous ICMEs), multiple shocks,…


7 Feb 2010Suceso ampliamente distribuidoFulguración M6.4, onda EUV perosin RB tipo II, CME halo lentaSTA footpoint 111 W de AR, retraso onset >2h

AB=138

Sucesos SEP estrechos y amplios en febrero 2010



AB=138

Posteriormente en la misma fecha,Suceso rico en 3He mostrando amplia distribución Observado por STA, STB, ACEProbablemente no relacionado con este suceso deelectrones sino con actividad posterior en la misma ARGaussian = 48

Wiedenbeck et al, 2013




Dada la ausencia de shock cross-field diffusion?AB=138

22 feb 2010Secuencia de sucesos muy estrechos o “spikes” observadas únicamente por STA Muy anisotrópicos Asociados a jets EUV estrechos, RB de tipo III y retrasos pequeñosScattering IP muy bajo, sin difusión perpendicular

Klassen et al, 2011



Suceso SEP del 17 de enero de 2010• Observado por ambos STEREOs. Aumento débil pero significativo en electrones

250-700 keV medidos por SOHO/EPHIN• Suceso SEP extremadamente amplio: todos los footpoints separados más de 100

grados de la AR• Fulguración en el hemisferio oculto, CME lenta y ancha, estallido radio de tipo II

onda EUV, sin tránsitos de choques IP, tránsito de ICME en STB (20-21 enero)

8

STB Dresing et al, 2012


Suceso SEP del 17 de enero de 2010• Anistropía muy débil o inexistente desde ambos STEREO (medidas limitadas

por cobertura deficiente en pitch-angle)• Un modelo de propagación en 3D incluyendo difusión perpendicular (Dröge

et al, 2010) es capaz de explicar las principales características observacionales del suceso

9

Inyección impulsiva en el SolFuente relativamente extensa 20°×20°r = 0.1 AU / = 0.3

• Escenario alternativo: transporte azimutal en la corona + transporte IP en paralelo al campo magnético. No descartable por completo, pero requeriría inyecciones de muy larga duración (varias horas)

El suceso SEP del 3 de noviembre de 2011• Suceso SEP observado por ambos STEREO y s/c cercanos a la Tierra• Todos los s/c observaron aumentos claros de iones >50 MeV y electrones >2 MeV• Distribución longitudinal de las partículas extremadamente amplia a 1 AU (las

partículas llenas una región de al menos 258° at 1 AU o son inyectadas sobre footpoints separados por 270°)


11

La intensidad sería claramente detectable por encima del background sobre el intervalo angular completoSuceso SEP con 360 grados de amplitud


Suceso SEP 3 nov 2011 – Amplia distribución angular

12

Freq

(kHz

)

Freq

(kHz

)

Atenuación a alta frecuencia(fuente oculta)

Probable location of the source regionfrom STB point of view

Type IIType II


Suceso SEP 3 noviembre 2011 – Observaciones radio

13

• STB/EUVI “Two-ribbon flare” en E50, 12° tras el limbo oeste para STA y en el hemisferio oculto para la Tierra.

• Abrillantamiento bucles comienza 22:11-22:16 UT • Erupción de bucles observado sobre limbo W por STA/EUV antes de 22:15 UT• Onda EUV alcanza meridiano central pero no footpoint de STB

*STA footpoint

*STB footpoint

*

Flare location


SEP 3 noviembre 2011 – observaciones EUV

14

• CME rápida y amplia (limbo W para STA, limbo E para STB y backside para SOHO) V=991 km/s, erupción antes de 22:15 UT (STA/COR1)

• La geometría de la CME es consistente con las observaciones de radioObservaciones multipunto con STEREO

SEP 3 noviembre 2011 – Observaciones coronográficas


Suceso SEP 3 noviembre 2011 – Contexto IP

Suceso SEP 3 noviembre 2011 – Anisotropías• Fuertes y duraderas anisotropías de electrones observadas desde los tres s/c

Las partículas son inyectadas en las proximidades de footpoints cerca del Sol

16

SunAnti-SunNorthSouth


Sucesos SEP – estadísticas longitudinales


Intensidad máxima frente a separación longitudinalfootpoint-AR

Criterio de selección: • Incremento flujo electrones 55-105 keV observados por al menos dos s/c•El s/c más separado tiene una separación AR-footpoint >80° Muestra de 19 sucesos


Dependencia radial y azimutal (Lario et al, 2006):

constant)(R )]2/()(exp[

)]2/()(exp[)AU 1/(22

00

2200

jj

Rjj n

Asumimos una distribución longitudinal gaussiana centrada en la conexión óptima (sin desplazamiento) Seleccionando solo los sucesos vistos por 3 s/c, uno de ellos bien conectado ( 30º) la muestra se reduce a10 sucesos


Kallenrode, 1993 (electrones 0.3-0.8 MeV): e-folding angle 7 to 26° (valor medio 13°)

Lario et al, 2006 (protones MeV): = 35.5 to 40.5° (e-folding angle 12° para > 40°)

Lario et al, 2013 = 43 to 49° (electrones, protones)

Wibberenz y Cane, 2006 (electrones 0.3-0.8 MeV): 30°


Para una muestra de 10 sucesos observados por 3 s/c obtenemos típicas entre 30 y 45° sin correlación obvia con la velocidad

o anchura de la CME, pero la mayoría de los sucesos están acompañados de CMEs anchas


• STEREO has observed energetic ions/electrons originating from the Earth at very long distances, 1900 RE upstream the bow shock, 1100 RE in the region connected to the magnetotail. Occasionally the events show spectral anomalies (AMI events)

• CIR-associated ion events dominated the energetic particle fluxes during the early mission. Latitudinal separation, CH evolution and IP transients can cause significant differences in the co-rotating structures observed by both s/c

• STEREO mission is ideally suited for quantitative studies of longitudinal dependences of SEPs. Most events showing broad angular spread are accompanied by wide, fast CMEs and type II bursts, but also impulsive events are broader than previously assumed. Variable IP conditions range from nearly scatter-free to strong cross-field diffusion

• Observations have shown the existence of particle distributions covering almost 360° at 1 AU (e.g. Jan 17, 2010 and Nov 3, 2011 SEP event).

• Azimuthal separation between s/c footpoint and AR is the main parameter organizing the observations (delays, peak intensities,…). But with large variability– Peak intensities scale like a Gaussian with typical sigma 30 to 45 degrees (similar to previous

studies using Helios or slightly broader)– Onset delay grows with increasing footpoint longitudinal separation wrt AR– A few events show extremely long delays. Perpendicular diffusion in the IP medium is a

possible mechanism to explain the broad particle spread for those delayed events not accompanied by shocks and showing weak anisotropy.

20

Resumen y conclusiones


Backup Slides

Partículas energéticas en la heliosfera interna: observaciones multipunto con STEREO

Documents

Transcript of Partículas energéticas en la heliosfera interna: observaciones multipunto con STEREO