Partículas energéticas en la heliosfera interna: observaciones multipunto con STEREO

1. Partículas energéticas en la heliosfera interna: observaciones multipunto con STEREO R. Gómez-Herrero1, A. Klassen2, N. Dresing2, B. Heber2,J.J. Blanco1, J. Rodríguez-Pacheco1 1. Space Research Group, University of Alcalá, Spain 2. IEAP, Christian-Albrechts-Universität, Kiel, Germany IV Reunión Española de Física Solar y Heliosférica Alcalá de Henares Viernes 21 de junio de 2013

2. 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 1 Observacionesmultipunto con STEREO

3. La misión STEREO – Primerasobservaciones • Solar TerrestrialRelationsObservatory (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 http://www.swpc.noaa.gov/SolarCycle/ Gómez-Herrero et al, 2009 2 Observacionesmultipunto con STEREO

4. Observacionescercanas a la Tierra • 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 Klassen et al, 2009 Gómez-Herrero et al, 2009 3 Observacionesmultipunto con STEREO

5. Ionesenergéticosasociados a CIRs IGPP Univ. of California Riverside • 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) 4 Observacionesmultipunto con STEREO

6. Sucesos SEP: dependencias longitudinales • 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) 5 Observacionesmultipunto con STEREO

7. Mecanismos físicos de distribución longitudinal de SEPs N Source surface AR Solarsoft PFSS Package, De Rosa et al. • 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) + distorted IMF (previous ICMEs), multiple shocks,… 6 Observacionesmultipunto con STEREO

8. Sucesos SEP estrechos y amplios en febrero 2010 7 Feb 2010 Sucesoampliamentedistribuido Fulguración M6.4, onda EUV perosin RB tipo II, CME halo lenta STA footpoint 111 W de AR, retraso onset >2h AB=138 7 Observacionesmultipunto con STEREO

9. Sucesos SEP estrechos y amplios en febrero 2010 Posteriormente en la misma fecha, Suceso rico en 3He mostrando amplia distribución Observado por STA, STB, ACE Probablemente no relacionado con este suceso deelectrones sino con actividad posterior en la mismaAR Gaussian = 48  Wiedenbeck et al, 2013 7 Feb 2010 Sucesoampliamentedistribuido Fulguración M6.4, onda EUV perosin RB tipo II, CME halo lenta STA footpoint 111 W de AR, retraso onset >2h AB=138 7 Observacionesmultipunto con STEREO

10. Sucesos SEP estrechos y amplios en febrero 2010 22 feb 2010 Secuencia de sucesos muy estrechos o “spikes” observadas únicamente por STA Muy anisotrópicos Asociados a jets EUV estrechos, RB de tipo III y retrasos pequeños Scattering IP muy bajo, sin difusión perpendicular 7 Feb 2010 Sucesoampliamentedistribuido Fulguración M6.4, onda EUV perosin RB tipo II, CME halo lenta STA footpoint 111 W de AR, retraso onset >2h Dada la ausencia de shock  cross-fielddiffusion? AB=138 Klassen et al, 2011 7 Observacionesmultipunto con STEREO

11. 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) STB Dresing et al, 2012 8 Observacionesmultipunto con STEREO

12. 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 Inyección impulsiva en el Sol Fuente 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) 9 Observacionesmultipunto con STEREO

13. 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°) 10 Observacionesmultipunto con STEREO

14. Suceso SEP 3 nov 2011 – Ampliadistribución angular La intensidad sería claramente detectable por encima del background sobre el intervalo angular completo Suceso SEP con 360 grados de amplitud 11 Observacionesmultipunto con STEREO

15. Suceso SEP 3 noviembre 2011 – Observaciones radio Freq (kHz) Freq (kHz) Probable location of the source regionfrom STB point of view Atenuación a altafrecuencia (fuente oculta) Type II Type II 12 Observacionesmultipunto con STEREO

16. SEP 3 noviembre 2011 – observaciones EUV * Flare location * STB footpoint * STA footpoint • STB/EUVI  “Two-ribbonflare” 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 13 Observacionesmultipunto con STEREO

17. SEP 3 noviembre 2011 – Observacionescoronográficas • 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 radio 14 Observacionesmultipunto con STEREO

18. Suceso SEP 3 noviembre 2011 – Contexto IP 15 Observacionesmultipunto con STEREO

19. 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 • Sun • Anti-Sun • North • South 16 Observacionesmultipunto con STEREO

20. Sucesos SEP – estadísticaslongitudinales • 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 Intensidad máxima frente a separación longitudinalfootpoint-AR 17 Observacionesmultipunto con STEREO

21. Sucesos SEP – estadísticaslongitudinales Dependencia radial y azimutal (Lario et al, 2006): 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 18 Observacionesmultipunto con STEREO

22. Sucesos SEP – estadísticaslongitudinales 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 yCane, 2006 (electrones 0.3-0.8 MeV):   30° Para unamuestra de 10 sucesosobservadospor 3 s/c obtenemos  típicas entre 30 y 45°  sin correlaciónobvia con la velocidad o anchura de la CME, pero la mayoría de los sucesosestánacompañados de CMEs anchas 19 Observacionesmultipunto con STEREO

23. Resumen y conclusiones • 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 Observacionesmultipunto con STEREO

24. Backup Slides