Observational Evidence on the Mechanisms of Relativistic Particle Acceleration and Transport in Solar Eruptions

Ground-level enhancements (GLEs) are events where relativistic protons and ions of solar origin trigger a cascade of secondary nucleons in the Earth’s atmosphere that can be detected on ground. The energy spectrum of GLEs may extend to several tens of GeV. They are extremes of solar particle acceleration, which pose challenging problems to candidate acceleration processes. The association with eruptive solar flares suggests processes related to magnetic reconnection in the flaring corona and shock waves driven by particularly fast coronal mass ejections. This work addresses two basic observational criteria that are able to constrain the processes at work: the onset time of GLEs with respect to the parent solar activity and the magnetic connection of the latter to the Earth. By combining radio and neutron monitor data of GLEs on 2005 Jan 20 and 2001 Apr 18 it is shown that GLEs may start in close conjunction with particle acceleration at the Sun, and that eruptive solar activity may establish transient magnetic connections to the Earth that deviate very strongly from the conventional Parker spiral geometry of the heliospheric magnetic field. In both cases the observations point to particle acceleration in the flaring active region.

Ground-Level-Enhancements (GLEs) sind Ereignisse, bei denen relativistische Protonen und Ionen solaren Ursprungs eine Kaskade sekundärer Nukleonen in der Erdatmosphäre auslösen, die am Boden nachgewiesen werden kann. Das Energiespektrum von GLEs kann bis in den Bereich von mehreren zehn GeV reichen. Sie stellen Extremfälle der solaren Teilchenbeschleunigung dar und werfen anspruchsvolle Fragen hinsichtlich der zugrunde liegenden Beschleunigungsprozesse auf. Die Verbindung mit eruptiven solaren Flares deutet auf Prozesse hin, die mit magnetischer Rekonnexion in der flare-aktiven Korona sowie mit Stoßwellen zusammenhängen, die von besonders schnellen koronalen Massenauswürfen angetrieben werden. Diese Arbeit untersucht zwei grundlegende Beobachtungskriterien, die eine Eingrenzung der beteiligten Prozesse ermöglichen: den Zeitpunkt des Einsetzens von GLEs im Verhältnis zur auslösenden solaren Aktivität sowie deren magnetische Verbindung zur Erde. Durch die Kombination von Radio- und Neutronenmonitordaten der GLEs vom 20. Januar 2005 und 18. April 2001 wird gezeigt, dass GLEs in enger zeitlicher Verbindung mit der Teilchenbeschleunigung auf der Sonne einsetzen können und dass eruptive solare Aktivität vorübergehende magnetische Verbindungen zur Erde herstellen kann, die stark von der klassischen Parker-Spiralgeometrie des heliosphärischen Magnetfelds abweichen. In beiden Fällen weisen die Beobachtungen auf eine Teilchenbeschleunigung in der flare-aktiven Region hin.

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