DOI: https://doi.org/10.1029/2025gl120032
تاريخ النشر: 2026-02-05
المؤلف: Anthony W. Ficklin وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات الأيونوسفير والمغنطوسفير
نظرة عامة
في أعقاب العاصفة الجيومغناطيسية الشديدة في أوائل مايو 2024، اكتشف جهاز CALET (تلسكوب الإلكترون الكالوري) مجموعة جديدة من الإلكترونات النسبية ضمن نطاق خطوط العرض المغناطيسية \( L \sim 2.2 – 3.2 \). تسلط هذه الاكتشافات الضوء على تشكيل حلقة جديدة لتخزين الإلكترونات، والتي أظهرت استمرارية على مدى عدة أشهر، مع اختلاف طول عمرها بناءً على مستويات الطاقة والقيم المحددة لـ \( L \).
كشفت الدراسة أيضًا أن أعمار هذه الإلكترونات، المقاسة عند طاقات تزيد عن 1.5 ميغا إلكترون فولت، و3.4 ميغا إلكترون فولت، و8.2 ميغا إلكترون فولت، تظهر اتجاهًا متزايدًا مع الطاقة عند \( L = 2.2 \). وعلى العكس، عند \( L = 3 \)، تنخفض أعمار الإلكترونات، مما يشير إلى انتقال كبير في السلوك كدالة لكل من الطاقة وخط العرض المغناطيسي. تسهم هذه النتائج في فهم ديناميات الإلكترونات النسبية في الغلاف المغناطيسي للأرض بعد الاضطرابات الجيومغناطيسية.
مقدمة
في أوائل مايو 2024، تم رصد نشاط شمسي كبير، خاصة من المناطق النشطة NOAA (ARs) 13664 و13668، التي اندمجت وأنتجت عددًا غير مسبوق من الانفجارات، بما في ذلك 101 حدث من الفئة M و18 حدث من الفئة X. تم تمييز هذا النشاط بالتتابع السريع وكان مصحوبًا بانبعاثات كتلة إكليلية موجهة نحو الأرض (CMEs). ومن الجدير بالذكر أن CME سريع، تم رصده بسرعة 1130 كم/ث في 8 مايو، تفاعل مع CMEs أخرى من نفس AR، مما أدى إلى هيكل معقد من CME بين الكواكب (ICME) أثر على الغلاف المغناطيسي للأرض في 10 مايو، مما نتج عنه عاصفة جيومغناطيسية شديدة من الفئة G5. كانت هذه العاصفة، المصنفة كعاصفة عظمى، هي الأكبر في عقدين من الزمن وكان لها تأثيرات كبيرة على الغلاف المغناطيسي الأرضي، بما في ذلك تشكيل مجموعة جديدة من الإلكترونات في حزام الإشعاع الخارجي.
كان تأثير العاصفة على منطقة الفتحة، التي تظهر عادةً كثافة منخفضة من الإلكترونات النسبية، عميقًا، حيث أدى ذلك إلى زيادة سريعة في كثافات الإلكترونات بسبب اختراق إلكترونات الحزام الخارجي إلى الحزام الداخلي. تُعرف هذه الظاهرة باسم ملء منطقة الفتحة، وتحدث خلال ساعات إلى أيام بعد الاضطرابات الجيومغناطيسية ويمكن أن تؤدي إلى زيادة كثافات الإلكترونات بمقادير كبيرة. يمكن أن يستمر تدهور هذه المجموعة الجديدة ذات L المنخفض من عشرات إلى مئات الأيام، مما يؤثر على مستويات الإشعاع في المنطقة. تقدم هذه الدراسة ملاحظات من تلسكوب الإلكترون الكالوري (CALET) على متن محطة الفضاء الدولية (ISS) بعد عاصفة مايو 2024، مع أقسام مخصصة لتقديم CALET، وتحليل القياسات جنبًا إلى جنب مع البيانات بين الكواكب والجيومغناطيسية، والتحقيق في عمر مكون حزام الإشعاع الجديد، وملخص للنتائج.
نقاش
قدم جهاز CALET، الذي أُطلق إلى محطة الفضاء الدولية في أغسطس 2015، رؤى حاسمة حول ديناميات الأشعة الكونية وظواهر الطقس الفضائي. تسلط هذه الدراسة الضوء على التأثير الكبير لعاصفة 10-11 مايو، الأكثر شدة في عقدين من الزمن، على أحزمة الإشعاع الأرضية. كشفت ملاحظات CALET عن تشكيل مجموعة طويلة العمر من الإلكترونات النسبية في منطقة الفتحة (L < 2.8)، وهي ظاهرة لم تُرَ منذ عاصفة هالوين 2003. استمرت زيادة الإلكترونات فوق 8.2 ميغا إلكترون فولت لأكثر من شهر، بينما استمرت تلك التي فوق 1.5 ميغا إلكترون فولت لأكثر من خمسة أشهر، مما يشير إلى انحراف كبير عن سلوك العواصف السابقة. أظهر تحليل أعمار الإلكترونات في منطقة الفتحة قيمًا تتراوح من حوالي 10 إلى 40 يومًا، اعتمادًا على L-shell والطاقة، مع خسائر تُعزى إلى تفاعلات الموجات والجسيمات واصطدامات كولوم. تتماشى النتائج مع الدراسات السابقة، مما يشير إلى أنه بينما تتنبأ الأعمار النظرية بفترات أطول، تشير البيانات الملاحظة إلى أعمار أقصر عند L-shells المنخفضة. تؤكد النتائج على قدرة CALET الفريدة على مراقبة البيئة الإشعاعية باستمرار، مما يسهل فهمًا أعمق لديناميات الإلكترونات متعددة ميغا إلكترون فولت بعد الاضطرابات الجيومغناطيسية وتساهم في المجال الأوسع لبحوث الطقس الفضائي.
DOI: https://doi.org/10.1029/2025gl120032
Publication Date: 2026-02-05
Author(s): Anthony W. Ficklin et al.
Primary Topic: Ionosphere and magnetosphere dynamics
Overview
In the aftermath of the extreme geomagnetic storm in early May 2024, the CALET (CALorimetric Electron Telescope) detected a novel population of relativistic electrons within the magnetic latitude range of \( L \sim 2.2 – 3.2 \). This discovery highlights the formation of a new electron storage ring, which exhibited persistence over several months, with its longevity varying based on energy levels and the specific \( L \) values.
The study further revealed that the lifetimes of these electrons, measured at energies of >1.5 MeV, >3.4 MeV, and >8.2 MeV, demonstrate an increasing trend with energy at \( L = 2.2 \). Conversely, at \( L = 3 \), the electron lifetimes decrease, indicating a significant transition in behavior as a function of both energy and magnetic latitude. These findings contribute to the understanding of relativistic electron dynamics in the Earth’s magnetosphere following geomagnetic disturbances.
Introduction
In early May 2024, significant solar activity was observed, particularly from NOAA active regions (ARs) 13664 and 13668, which merged and produced an unprecedented number of flares, including 101 M-class and 18 X-class events. This activity was characterized by rapid succession and was accompanied by Earth-directed coronal mass ejections (CMEs). Notably, a fast CME, observed at 1130 km/s on May 8, interacted with other CMEs from the same AR, leading to a complex interplanetary CME (ICME) structure that impacted Earth’s magnetosphere on May 10, resulting in an extreme G5 geomagnetic storm. This storm, classified as a superstorm, was the largest in two decades and had significant effects on the terrestrial magnetosphere, including the formation of a new electron population in the outer radiation belt.
The storm’s impact on the slot region, which typically exhibits low relativistic electron intensity, was profound, as it led to a rapid increase in electron intensities due to the penetration of outer-belt electrons into the inner belt. This phenomenon, known as slot region filling, occurs within hours to days following geomagnetic disturbances and can result in electron intensities increasing by orders of magnitude. The subsequent decay of this new low-L population can last from tens to hundreds of days, influencing radiation levels in the region. This study presents observations from the Calorimetric Electron Telescope (CALET) aboard the International Space Station (ISS) following the May 2024 storm, with sections dedicated to the introduction of CALET, analysis of measurements alongside interplanetary and geomagnetic data, investigation of the new radiation-belt component’s lifetime, and a summary of findings.
Discussion
The CALET instrument, launched to the International Space Station in August 2015, has provided critical insights into cosmic ray dynamics and space weather phenomena. This study highlights the significant impact of the May 10-11 superstorm, the most intense in two decades, on Earth’s radiation belts. CALET’s observations revealed the formation of a long-lived population of relativistic electrons in the slot region (L < 2.8), a phenomenon not seen since the 2003 Halloween storm. The enhancement of electrons above 8.2 MeV persisted for over a month, while those above 1.5 MeV lasted more than five months, indicating a substantial deviation from previous storm behaviors. The analysis of electron lifetimes in the slot region showed values ranging from approximately 10 to 40 days, depending on L-shell and energy, with losses attributed to wave-particle interactions and Coulomb collisions. The results align with previous studies, suggesting that while theoretical lifetimes predict longer durations, observational data indicate shorter lifetimes at lower L-shells. The findings underscore CALET's unique capability to monitor the radiation environment continuously, facilitating a deeper understanding of the dynamics of multi-MeV electrons following geomagnetic disturbances and contributing to the broader field of space weather research.