De stralingsgordels waargenomen door PROBA-V/EPT

Stralingsgordels

De onderzoeksgroep Zonnewind van het departement Ruimtefysica van het BIRA doet onderzoek naar de stralingsomgeving in de nabije omgeving van de aarde. Dit gebied buiten onze atmosfeer bevat zeer energetische deeltjes, voornamelijk elektronen en ionen, die in het aardmagnetisch veld gevangen zitten in de Van Allen-gordels.

Het BIRA heeft bijgedragen aan de ontwikkeling van een detector, de Energetic Particle Telescope (EPT), die in mei 2013 gelanceerd werd aan boord van de ESA-satelliet PROBA-V naar een polaire lage baan rond de aarde (Low Earth Orbit of LEO) op 820 km hoogte. Dit instrument, dat momenteel nog steeds actief is, levert uitzonderlijke waarnemingen op die ons in staat stelden de dynamiek van de elektronenfluxen tijdens geomagnetische stormen te bepalen, gekenmerkt door dropouts (elektronen die uit de stralingsgordel vallen), fluxverhogingen en langzamer verval na stormen.

We bepaalden de verbanden van de grenzen van de stralingsgordels met andere gebieden van de magnetosfeer, en in het bijzonder met het poolichtovaal zoals afgebeeld in Figuur 1, de positie van de plasmapauze en de ionosferische trog [1]. Wij hebben geconstateerd dat de binnenwaartse beweging van de buitenste stralingsgordel tijdens plotselinge fluxverhogingen van energetische elektronen rechtstreeks in verband kan worden gebracht met de erosie van de plasmapauze tijdens geomagnetische stormen als gevolg van uitbarstingen op de zon (Figuur 2).

Bovendien komt de positie van de in de ionosfeer geprojecteerde plasmapauze overeen met de ionosferische convectiegrens. De equatorwaartse randbeweging van het poollichtovaal, veroorzaakt door de neerslag van energetische deeltjes in de aardatmosfeer, gaat tijdens geomagnetische stormen naar lagere breedtegraden, net als de plasmapauze die op geringe hoogte in de ionosfeer en de buitenste stralingsgordel wordt geprojecteerd.

Simultane Van Allen Probes-waarnemingen

We hebben de EPT-waarnemingen vergeleken met de simultane NASA Van Allen Probes-metingen die in een geheel andere baan, dichter bij het evenaarsvlak, zijn uitgevoerd [2].  We zien een vrij isotrope structuur van de buitenste gordel waar tijdens rustige tijden, in tegenstelling tot de binnenste gordel. We vinden een zeer goede overeenkomst voor de buitenste gordel voor de twee ruimtesondes bij ~0,5 MeV.

We ontwikkelden deeltjessimulaties van de energetische elektronen die in het aardmagnetisch veld gevangen zitten, om zo de fysische mechanismen te bepalen die leiden tot het verlies van de elektronen tijdens dropouts, en tot langzamer verval na storminjecties (Figuur 3).

Magnetopauze-shadowing en radiale diffusie kunnen de belangrijkste kenmerken van elektronen-dropouts uit de buitenste stralingsgordel verklaren. Met behulp van metingen van de Van Allen-sondes in de plasmasfeer en ons 3D-dynamisch plasmasfeermodel konden wij de diffusiecoëfficiënten berekenen die bijdragen tot het verlies van energetische elektronen. Dergelijke simulaties reproduceren de vorming van de "gleuf" (de regio tussen de twee gordels) en het geleidelijke verlies in de buitenste gordel.

Referenties

Radiation Belt Physics From Top To Bottom: Combining Multipoint Satellite Observations And Data Assimilative Models To Determine The Interplay Between Sources And Losses - ISSI Team

[1] Pierrard V., E. Botek, J.-F. Ripoll, S. A. Thaller, M. B. Moldwin, M. Ruohoniemi, G. Reeves (2021), Links of the plasmapause with other boundary layers of the magnetosphere: ionospheric convection, radiation belts boundaries, auroral oval, Frontiers in Astronomy and Space Sciences, 08 , doi: 10.3389/fspas.2021.728531

[2] Pierrard V., J.-F. Ripoll, G. Cunningham, E. Botek, O. Santolik, S. Thaller, W. Kurth, M. Cosmides (2021), Observations and simulations of dropout events and flux enhancements in October 2013: Comparing MEO equatorial with LEO polar orbit, J. Geophys. Res.: Space Physics, 126(6), e2020JA028850, doi: 10.1029/2020JA028850.