As our society increasingly relies on spacecraft operations in the Earth’s magnetosphere, the forecast of the space weather becomes more important. For example, the long-duration (for several days) high intensity fluxes of relativistic electrons (with more than MeV energies) have been found to cause serious operation problems or damages to spacecraft and satellites. Hence, it is important to understand the dynamics of these relativistic electrons: where they come from and how they are accelerated to such high energies. This work focuses on these two topics.
First, we examine the possibility of substorm injected electrons as seeds for relativistic electrons in the inner magnetosphere during magnetic storm times. We find the 105-225 keV electrons are most correlated to the enhancement of relativistic electron fluxes. Next, we study the wave-particle interactions as candidates for acceleration mechanisms of relativistic electrons. Especially, we focus on ULF Pc-5 (2-7mHz) waves and whistler chorus waves, and try to understand their roles in two cases, one of which is associated with relativistic electron event and the other is not. We confirm that both waves can be the energy source for relativistic electrons, but the flux level of relativistic electrons is more or less related to the amount of the injected seed electrons.
We extend our study to the relationships between chorus waves, substorm injections, and relativistic electrons. Through statistical analysis of the relativistic electron events during the second half of 2003, we find that: (1) the chorus waves directly driven by substorms occur primarily near the local midnight while convection effects are seen in almost all local times and (2) chorus intensities are high during the growth-phase periods prior to onset and decrease after onset within the time-scale for the plasma sheet electrons to drift away from the dawn-side regions (~15-30 min).
현재는 우주 정거장과 우주왕복선, 다양한 목적의 위성 발사 등 우주에 대한 관심이 높아짐에 따라, 우주 환경에 대한 연구의 필요성이 더욱 요구되고 있다. 특히나 지구의 자기권에서 자주 관측되는 상대론적인 전자 (≥1 MeV) 들은 우주 관측장비들의 방사능 피해를 통한, 성능 저하 또는 기능 상실을 일으킨다고 보고되고 있어서 이들에 대한 관심이 증폭되고 있는 실정이다.
지구 자기권에서 상대적으로 고에너지에 해당하는 이들 상대론적인 전자들은 자기권이 평온한 상태일 때는 주로 지구의 방사능 벨트에 분포하고 있다가, 자기권에 큰 섭동이 일어날 때 이들 방사능 벨트에 있던 플럭스도 증가하면서, 외곽 자기권인 지구 정지궤도 (L = 6.6)에까지 그 플럭스의 증가가 전파된다. 사실, 이러한 고에너지 입자들의 수시간 안에 일어나는 급작스런 증가 현상의 원인에 대해서는 아직 정확하게 규명되고 있지 않다. 지자기 폭풍과의 연관성에 대해서는, 지자기 폭풍의 50% 정도가 상대론적 전자 증가 현상을 동반하는 것으로 알려져 있다.
이 논문에서는, 이러한 상대론적 전자들이, 자기권에서 빈번하게 일어나는 지자기 부폭풍에 의해서 주입된 전자들이 근원이 될 것이라는 가설에 대해서, 관측 사실을 기반으로 한 통계적 분석을 통하여 증거를 보여주었다. 즉, 상대론적 전자들의 플럭스 증가비와 지자기 부폭풍의 플럭스 증가비의 상관 관계를 통하여, 105-225 keV 전자 플럭스의 증가가 상대론적 전자 플럭스의 증가와 가장 밀접한 관계를 갖는다는 것을 보여줌으로써 ~100 keV 전자들이 상대론적 전자 이벤트의 씨앗전자가 될 것이라는 기존의 이론적 예측을 관측 사실로써 뒷받침할 수 있게 하였다. 또한 Dst, Ap 지수 등과의 직접 비교를 통해서, 상대론적 전자 이벤트의 가부는 자기권의 교란의 크기에 직접 영향을 받는 것은 아니라는 사실을 밝혔다.
상대론적 전자들의 씨앗전자가 자기 부폭풍에 의해 제공되는 105-225 keV 에너지 대역의 씨앗 전자들이라면, 이들 씨앗 전자들이 상대론적인 에너지 (~ MeV) 에 도달하도록 만드는 기작은 무엇인지에 대한 연구 또한 활발히 진행되어 오고 있다. 이 논문에서는, 이들 기작들 중 유력한 후보로 제시되고 있는 ULF 와 whistler chorus 파동과의 상호작용 가능성에 무게를 두고 이들 각자의 역할을 살펴 보았다. 먼저 ULF 의 경우, 상대론적인 전자 이벤트가 있을 때와 없을 때 모두 발생하기는 하나, 이벤트가 없을 때 오히려 크게 나타났다. 그러나, spectrum hardness 계산을 통해서, 한 이벤트 안에서 상대적으로 고에너지에 해당하는 입자들의 플럭스가 더 증가했다는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 씨앗전자들의 공급만 원활했다면 더 많은 전자들이 상대론적인 전자들로 될 수 있었고, ULF 가 그 역할을 담당한다는 것을 알 수 있었다. Whistler chorus 의 경우 상대론적인 전자 이벤트가 발생한 경우에 더 강하게 나타난 것을 확인함으로써, whistler chorus 가 여전히 가속화 기작으로 작용할 가능성을 열어 두었다.
위성 관측을 통한 분석의 한계 상황은 늘 존재하는데, 상대론적 전자 이벤트가 일어났을 때, 전자 플럭스와 ULF, whistler wave 등의 발생을 동시에 관측할 수 있는 완벽한 조합의 데이터를 얻을 수 있는 이벤트의 경우가 드문 것이 현실이다. 위성에서 관측한 whistler wave의 데이터가 드물어서 이를 대체할 수 있는 지상관측 데이터가 필요했는데, 그것이 바로 VELOX Hally stations 이었다. 이번 연구에서는, VELOX stations의 데이터를 이용해서 상대론적 전자들의 씨앗전자들을 고에너지로 가속화 시키는 파동-입자 간 상호작용에 관련된 연구로 상대론적 전자 연구의 영역을 확장시켜 보았다.
관측 결과를 분석해 본 결과, 태양풍과 지구 자기권의 상호작용의 결과물로서 지구 자기권에는 convection field 가 생성되고, 이러한 convection과 지자기 부폭풍에 의해서 주입된 전자들 또는 플라즈마 시트의 전자들과의 상호작용에 의해서 whistler chorus wave가 발생하는 것으로 보인다. Whistler chorus 의 발생이 빈번하게 관측되는 지역이 23~새벽~13 MLT 의 영역인 것도 플라즈마 시트의 전자들의 표류 방향과 일치한다.
