Analysis and modelling of the solar energetic particle radiation environment in the inner heliosphere in preparation for Solar Orbiter

Abstract

The Sun is the main source of all kind of solar energetic particles in the Solar System, electrons, protons and ions with energies from few keV to several GeV. These particles are released from the solar corona and spread through the interplanetary space, the heliosphere, influenced by the interplanetary magnetic field and arriving to the Earth and interacting with the terrestrial magnetosphere. The effects of SEP interactions with space-based devices, manned missions and the Earth atmosphere are encompassed by what is known as space weather. This thesis describes the work we performed on this field, that can be divided in three parts: i) observational studies of solar energetic particles carried out using data coming from space-based missions such as STEREO and Helios, as well as tools like SEPEM server; ii) the development of tools and particle instrument modelling in order to use of them with pre-existing models to be used in the simulation of solar events; iii) solar energetic particle event simulations making use of transport models, either adapting tools previously developed by our group, as SEPInversion, or creating new software capable of carrying out full inversions of events, that is, taking into account the angular response and the energetic response of the particle instrument. These tools developed during this work have allow us to study and characterise the radiation conditions in the inner heliosphere applying modelling techniques never used done before. We also explore some of the applications of these tools. We developed a study about the radial dependence of electron peak intensities and anisotropy, we simulate observations of EPD/EPT instrument on board Solar Orbiter using Helios data and finally we studied the expected cumulated fluence and the fluence spectra computed using SEPEM for Solar Orbiter mission. In conclusion, the obtained results as well as the developed tools will be very useful for the study and interpretation of the future scientific data coming from Parker Solar Probe, Solar Orbiter and BepiColombo.

El Sol és la principal font de partícules que podem trobar al medi interplanetari del sistema solar, i els esdeveniments solars de partícules energètiques són la principal font de radiació dins de l'heliosfera. L'estudi i predicció d'aquest tipus d'esdeveniments i les seves causes i conseqüències ha esdevingut una àrea d'especial interès per la seva importància enfront dels perills que suposa aquesta radiació per a les telecomunicacions i la salut durant missions espacials tripulades.

En aquesta tesi exposem el treball que hem desenvolupat en aquest camp, dividit en 3 àmbits diferents: i) estudi observacional d'esdeveniments de partícules fent servir dades observacionals de missions espacials com STEREO i Helios, i eines com SEPEM; ii) desenvolupament d'eines i modalització d'instruments de partícules per fer-los servir conjuntament amb els models preexistents per la simulació d'esdeveniments; iii) simulació d'esdeveniments de partícules mitjançant models de transport, tant adaptant eines prèviament desenvolupades pel nostre grup, com SEPInversion, com nou programari capaç de realitzar inversions totals, es a dir, tenint en compte la resposta angular i energètica dels instruments.

Les eines desenvolupades ens han permès estudiar les condicions de radiació a l'heliosfera interior com no s'havia fet fins ara. Els resultats obtinguts així com aquestes eines seran molt útils per a l'estudi i interpretació de les dades científiques provinents de les futures missions espacials com Parker Solar Probe o Solar Orbiter. A més a més, les eines desenvolupades ens permetran fer un ús efectiu d'aquestes dades tan aviat com estiguin disponibles.