[論文レビュー] Application of a full chain analysis using neutron monitor data for space weather studies

Alexander Mishev, Ilya Usoskin|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2016

Nuclear Physics and Applications被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、地上レベル増強（GLEs）中の航空機乗務員の放射線被曝を評価するために中性子モニタ（NM）データを用いたフルチェーン数値モデルを提示する。このモデルは、NM応答から太陽高エネルギー粒子（SEP）のエネルギースペクトルおよび方位特性をモデル化し、新たに計算された出力関数を適用することで、商業飛行高度における効果的線量率を正確に算出する。2006年12月のGLE 70において、先行研究との強い一致を示し、ピーク線量率は40–50 μSv/hに達した。

ABSTRACT

An important topic in the field of space weather is the precise assessment of the contribution of galactic cosmic rays and solar energetic particles on air crew exposure, specifically during eruptive events on the Sun. Here we present a model, a full chain analysis based on ground based measurements of cosmic rays with neutron monitors, subsequent derivation of particle spectral and angular characteristics and computation of dose rate. The model uses method for ground level enhancement analysis and newly numerically computed yield functions for conversion of secondary particle fluence to effective dose and/or the ambient dose equivalent. The precise an adequate information about the solar energetic particle spectra (SEPs) is the basis of the model. Since SEPs possess an essential isotropic part, specifically during the event onset, the angular characteristics should be also derived with good precision. This can be achieved using neutron monitor data during a special class of SEP events the ground level enhancements (GLEs). On the basis of the method representing a sequence of consecutive steps: computation of the NM asymptotic cones, NM rigidity cut-off and application of convenient optimization procedure, we derive the rigidity spectra and anisotropy characteristics of GLE particles. For the computation we use newly computed yield function of the standard sea-level 6NM64 neutron monitor for primary proton and alpha CR nuclei as well as 6NM64 yield function at altitudes ranging from the sea level up to 5000 m above the sea level. We derive the SEP spectra and pitch angle distributions in their dynamical development throughout the event. Subsequently on the basis of the derived spectra and angular characteristics and previously computed yield functions we calculate the effective dose and/or ambient dose equivalent during the GLE. Several examples are shown.

研究の動機と目的

• 太陽高エネルギー粒子（SEP）イベント、特に地上レベル増強（GLEs）中の航空機乗務員の被曝評価の精度を向上させること。
• 地上のニュートロニクスモニタ測定値と飛行高度における効果的線量率を結びつける包括的かつ物理的ベースのモデルを構築すること。
• 主なGLEイベント中における時間依存のSEPエネルギースペクトルの硬さ・軟化および方位異方性を考慮すること。
• 既知のGLEイベント、特に2006年12月13日のGLE 70を用いて、独立した線量推定値と照合してモデルを検証すること。
• 事前に計算されたNMの漸近的円錐データを用いて、主要な宇宙天気イベント中の近似リアルタイムの被曝予測（nowcasting）を可能にすること。

提案手法

• 複数のグローバルなステーションからの中性子モニタ（NM）データを用い、GLE中のSEPsの剛性スペクトルおよびピッチ角分布を推定する。
• 地球の磁気圏および大気を通過するSEPの詳細なシミュレーションを実施し、各NMの受容円錐および剛性カットオフ（Rc）の計算を含む。
• 観測されたNM計数率からSEPエネルギースペクトルおよび方位特性を導出するための数値最適化手順を採用する。
• 新たに計算された出力関数を用い、6NM64中性子モニタが測定する二次粒子フラクチュエーションを、海面から5,000 mまでのさまざまな高度における効果的線量および環境線量当量に変換する。
• 時間分解能のあるSEPスペクトルおよび方位分布と、高度および位置に依存する出力関数を統合し、35,000 ft（10,668 m）における線量率を計算する。
• 事前に計算されたNM漸近的軌道データベースにより、NMデータの逆問題を準リアルタイムで解き、被曝予測（nowcasting）アプリケーションを支援する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地上レベル増強中における中性子モニタデータを用いて、太陽高エネルギー粒子の剛性スペクトルおよび方位分布をどの程度正確に再構築できるか。
• RQ2 主なGLEイベント中におけるSEPの効果的線量率への寄与は何か、そして時間経過とともにどのように変化するか。
• RQ3 GLEイベントの発生段階、主要段階、遅発段階において、SEPスペクトルの硬さおよび方位拡散はどのように変化するか。
• RQ4 本モデルが算出した線量率は、既知のGLEイベントについて既に発表された推定値とどの程度一致するか。
• RQ5 本モデルは、主要な太陽プロトンイベント中の近似リアルタイム被曝予測（nowcasting）に使用可能か。

主な発見

• 2006年12月13日のGLE 70の初期段階において、本モデルは剛性カットオフ ≤1 GV の地域で40–50 μSv/hの効果的線量率を算出し、先行評価と一致した。
• SEPスペクトルは当初、非常に硬く、強く方向性を持つビーム状のフラックスに近く、イベント発生時における強い指向性を示した。
• 時間経過とともにスペクトルは徐々に軟化し、イベントの遅発段階には純粋なべき乗則に移行した。
• 方位分布はイベント中に著しく拡張し、SEPsが磁気圏内に拡散するに従い異方性が低下したことを示した。
• 本モデルが算出した線量率は、先行推定値と非常に良好に一致し、その正確性と信頼性が検証された。
• 本モデルは、事前に計算されたNM漸近的円錐データを用いて準リアルタイムでの被曝予測（nowcasting）を可能にし、運用上の宇宙天気応用を支援する。