[論文レビュー] A comparison of new calculations of 10be production in the earths polar atmosphere by cosmic rays with 10be concentration measurements in polar ice cores between 1939-2005 - a troubling lack of concordance paper #1

W. R. Webber, P. R. Higbie|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2010

Radioactivity and Radon Measurements被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、11年周期の太陽の調整が銀河宇宙線に与える影響と、有人宇宙船で測定された宇宙線スペクトルを用いた、地球の極大気圏における10Be生成の新規で物理的根拠に基づく計算と、1939年から2005年までの極域の氷核からの10Be濃度測定値を比較した。相関係数はわずか r ≈ 0.30 にとどまり、予想される1.0ではなく、回帰の勾配は0.4〜0.6にとどまる。さらに、氷核データに説明のつかないピークが観測された。これは、10Be濃度の変化が宇宙線誘発生成に起因するだけでなく、気候的要因や地域的プロセスも同程度の大きさで関与している可能性を示唆している。

ABSTRACT

Using new calculations of 10Be production in the Earths atmosphere which are based on direct measurements of the 11-year solar modulation effects on galactic cosmic rays and spacecraft measurements of the cosmic ray energy spectrum, we have calculated the yearly average production of 10Be in the Earths atmosphere by galactic and solar cosmic rays since 1939. During the last six 11-year cycles the average amplitude of these production changes is 36%. These predictions are compared with measurements of 10Be concentration in polar ice cores in both the Northern and Southern hemisphere over the same time period. We find a large scatter between the predicted and measured yearly average data sets and a low cross correlation ~0.30. Also the normalized regression line slope between 10Be production changes and 10Be concentration changes is found to be only 0.4-0.6; much less than the value of 1.0 expected for a simple proportionality between these quantities, as is typically used for historical projections of the relationship between 10Be concentration and solar activity. The distribution of yearly averages in the 10Be concentration level in the data from the Dye-3 ice core in Greenland for the time period 1939-1985, contains a "spike" of high concentration one year averages which is not seen in the production calculations. These and other features suggest that galactic cosmic ray intensity changes which affect the production of 10Be in the Earths atmosphere are not the sole source of the 10Be concentration changes and confirm the importance of other effects, for example local and regional climatic effects, which could be of the same magnitude as the 10Be production changes.

研究の動機と目的

• 1939年から2005年までの極域の氷核における観測された10Be濃度と、新規のデータ駆動型10Be生成計算との整合性を評価すること。
• 銀河宇宙線の太陽的調整が、氷核における観測された10Be濃度変動を説明できるかどうかを評価すること。
• 10Be濃度が10Be生成率に直接比例するという標準的仮定の妥当性を検証すること。
• モデル化された10Be生成と測定された濃度との間の不一致、特にDye-3氷核データにおける説明のつかないピークを特定すること。
• 大気輸送、沈着効率、地域的気候変動などの非宇宙線要因が、10Be濃度記録に与える影響を調査すること。

提案手法

• 11年周期の太陽の調整が銀河宇宙線に与える影響を直接測定したデータを用いて、新規の10Be生成率を計算した。
• 宇宙線エネルギースペクトルを人工衛星観測から導出し、大気中のイオン化およびスパラレーション反応のモデル化の正確性を向上させた。
• 1939年から2005年の期間にわたる年平均の10Be生成量を、太陽の調整および宇宙線強度の変化を考慮して計算した。
• 北半球および南半球の氷核（Dye-3を含む）からの測定された10Be濃度を抽出し、年平均化した。
• 統計的比較を実施し、相関係数分析および生成量と濃度変化の間の正規化線形回帰を実施した。
• Dye-3氷核データにおける異常（生成モデルに反映されない高濃度ピーク）を、非宇宙線的要因の影響を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 新規のデータベース10Be生成計算と、1939年から2005年までの極域氷核における観測された10Be濃度との一致度はどの程度か？
• RQ2 10Be生成と濃度の間の相関係数が低く、r ≈ 0.30 にとどまるのはなぜか？（単純な比例モデルでは1.0に近いはずである。）
• RQ3 1939年から1985年のDye-3氷核データに観測された高濃度ピークは、なぜ10Be生成計算に再現されないのか？
• RQ4 大気輸送、沈着効率、地域的気候変動などの非宇宙線要因が、生成変動と同程度の大きさで10Be濃度変化に寄与している可能性はあるか？
• RQ5 10Be生成と濃度変化の間の回帰勾配が、期待される1.0ではなく0.4〜0.6にとどまるのはなぜか？

主な発見

• モデル化された10Be生成と測定された10Be濃度の間の相関係数はわずか約0.30であり、弱い統計的関係を示している。
• 10Be生成の変化と10Be濃度の変化の間の正規化回帰勾配は0.4〜0.6であり、直接比例関係が成り立つ場合の期待値1.0とは顕著に異なる。
• Dye-3氷核において1939年から1985年の間に顕著な10Be濃度ピークが観測されたが、これは10Be生成計算では再現されていない。これは、この異常要因が非宇宙線的起源である可能性を示唆している。
• 過去6つの11年周期における10Be生成変動の平均振幅は36%であり、生成率に顕著な変動があることを示している。
• 観測された不一致は、宇宙線誘発10Be生成以外の要因（例えば、局所的または地域的気候的要因）が、10Be濃度変化に寄与しており、生成変動と同程度の大きさの影響を与えている可能性を示唆している。
• これらの結果は、標準的仮定である「氷核内の10Be濃度は、銀河宇宙線の太陽的調整を信頼できる直接的代理指標として用いられる」という仮定を疑問視するものである。