Institut für Experimentelle und Angewandte Physik Spatial gradients of galactic cosmic rays in the inner heliosphere at the end of solar cycle 23 Jan Gieseler1, Bernd Heber1, Nico De Simone2, and Valeria Di Felice2 on behalf the PAMELA- and KET-consortia

Motivation: modulation of galactic cosmic rays Institut für Experimentelle und Angewandte Physik Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Motivation: modulation of galactic cosmic rays latitudinal gradient radial gradient

 Expected intensity contours for the Institut für Experimentelle und Angewandte Physik Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Expected intensity contours for the A>0 and A<0-magnetic epoch (protons)  ☺? Expected intensity variation wrt. distance: Gradients always positive Expected intensity variation wrt. latitude: Gradients positive or negative

Constraints from Ulysses - PAMELA Institut für Experimentelle und Angewandte Physik Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Constraints from Ulysses - PAMELA This slide shows the Ulysses orbit together with the trajectory of the Earth project. While PAMELA stays close to Earth the Kiel Electron Telescope moves within the inner heliosphere

A detailed view on the Ulysses trajectory from Institut für Experimentelle und Angewandte Physik Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät A detailed view on the Ulysses trajectory from July 2006 to the end of 2008 July 2006: Ulysses was at 3.7 AU and approx. 55° south August 2007: Ecliptic crossing at a distance of about 1.4 AU Closest approach: at about 1.39 AU and 7° north December 2008: 4.0 AU and 32° north

Determination of gradients Institut für Experimentelle und Angewandte Physik Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Determination of gradients = intensity at Ulysses position = intensity at PAMELA position (R=1,θ=0) GR = radial gradient Gθ = latitudinal gradient R, θ = radial distance and absolute value of latitude

Institut für Experimentelle und Angewandte Physik Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Period: Radial distance decreases and absolute value of heliographic latitude increases, while intensity ratio decreases Period: Radial distance and latitude first decrease and then increase, while intensity ratio is constant Period: Radial distance increases and heliographic latitude decrease, while intensity ratio increases

Importance of gradients: vanishing latitudinal gradient Institut für Experimentelle und Angewandte Physik Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Importance of gradients: vanishing latitudinal gradient The expected variation with a positive radial gradient does not reflect the Ulysses measurments Period 1 and 3 can be described by such a variation Period 2 however disagrees with the prediction Latitudinal gradient is not zero

Importance of gradients: vanishing radial gradient Institut für Experimentelle und Angewandte Physik Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Importance of gradients: vanishing radial gradient The expected variation with a negative latitudinal gradient does not reflect the Ulysses measurements Period 1 and 3 can be described by such a variation Period 2 however disagrees with the prediction Radial gradient is not zero

Importance of gradients: the right combination Institut für Experimentelle und Angewandte Physik Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Latitudinal difference Importance of gradients: the right combination Radial distance Radial distance Ulysses to Earth Latitudinal difference wrt. heliographic equator Expected ratio variation for and different latitudinal gradients Fit to the observations leads to

Institut für Experimentelle und Angewandte Physik Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Summary and Outlook Combination of Ulysses and PAMELA measurements are ideally suited for the determination of radial and latitudinal gradients Results for protons Latitudinal gradient: Radial gradient: The latitudinal gradient of protons is in good agreement with observations for electrons in the previous solar magnetic epoch Next step is the determination of electron gradients

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Parkers transport model Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Parkers transport model

Propagation parameters Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Propagation parameters Solving the equation and comparing to measurements we will learn about: Diffusion coefficients Drift effects in the heliospheric magnetic field

Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Summary   Radial and latitudinal gradients of protons achieved Latitudinal dependence of the e/p-ratio achieved. PAMELA and Ulysses/KET show similar time profiles and support each other

  Expected intensity contours for the A>0 Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Expected intensity contours for the A>0 and A<0-magnetic epoch (deSimone, Gieseler))   The combined analysis of Ulysses and PAMELA data contributes essentially to our understanding of galactic cosmic ray propagation in the heliosphere. This could become the first publication by the two consortia

Distribution of space probes Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Distribution of space probes 1 AU: IMP, ACE, Sampex, SOHO, STEREO, neutron monitors, and PAMELA Ulysses: (1.3 < r < 5AU 80.2 < θ < 80.2) Voyager 1 (r > 100AU) Voyager 2 (r > 80AU)

Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät The fourth dimension: The solar cycle

Institut für Experimentelle und Angewandte Physik Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Outline Motivation: Importance of spatial gradients for understanding cosmic ray modulation? Proton radial and latitudinal gradients from PAMELA and Ulysses/KET

Importance of gradients: the right combination Institut für Experimentelle und Angewandte Physik Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Latitude difference Importance of gradients: the right combination Radial distance [AU] Radial distance Ulysses to Earth Latitude difference wrt. to heliographic equator Expected ratio variation for and different latitudinal gradients Fit to the observations leads to