[論文レビュー] Atmospheric Variations as observed by IceCube

Serap Tilav, P. Desiati+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 7被引用数 38

ひとこと要約

本研究では、南極におけるアイスカウルの深層氷内ミューオンおよび表面のIceTop検出器の計数率が、成層圏の温度変動によって強く変調されていることを示している。高エネルギーのミューオン率は中成層圏（30–60 hPa）の温度と反比例し、表面の率は低成層圏（40–80 hPa）の温度と反比例する。主な発見は、アイスカウルが大気の力学、特に南極のオゾンホールおよび極渦の行動を自然なプローブとして機能することであり、パイオンおよびカイオンの崩壊確率と衝突確率の変化に起因して、それぞれ±10%および±5%の観測された率の変調が生じていることである。

ABSTRACT

We have measured the correlation of rates in IceCube with long and short term variations in the South Pole atmosphere. The yearly temperature variation in the middle stratosphere (30-60 hPa) is highly correlated with the high energy muon rate observed deep in the ice, and causes a +/-10% seasonal modulation in the event rate. The counting rates of the surface detectors, which are due to secondary particles of relatively low energy (muons, electrons and photons), have a negative correlation with temperatures in the lower layers of the stratosphere (40-80 hPa), and are modulated at a level of +/-5%. The region of the atmosphere between pressure levels 20-120 hPa, where the first cosmic ray interactions occur and the produced pions/kaons interact or decay to muons, is the Antarctic ozone layer. The anticorrelation between surface and deep ice trigger rates reflects the properties of pion/kaon decay and interaction as the density of the stratospheric ozone layer changes. Therefore, IceCube closely probes the ozone hole dynamics, and the temporal behavior of the stratospheric temperatures.

研究の動機と目的

• 南極における長期的および短期的な成層圏温度変動とアイスカウルのミューオンおよび表面検出器の計数率との相関を調査すること。
• 成層圏の密度および温度の変化が、宇宙線の衝突および崩壊過程（特にパイオンおよびカイオンの挙動）に与える影響を理解すること。
• アイスカウルの高統計データを用いて、南極の極渦およびオゾンホールの力学を、特に極端な出来事象の際に探ること。
• 気圧および温度効果が検出器率に与える影響を定量化し、大気圧変動を補正することで真の大気信号を分離すること。
• アイスカウルを、特に突然の成層圏温暖化のようなレアイベント期における、継続的かつ現地での大気状態モニタリング装置として確立すること。

提案手法

• NOAA POESおよびレーダゾンデの打ち上げデータを用いて、20–120 hPaの成層圏温度プロファイルとアイスカウル深層氷内ミューオン率（InIce_SMT）との時間的相関を測定した。
• IceTop表面のDOM計数率（IceTop_SMT）を分析し、気圧効果を補正するにあたり、IceTop DOMsの気圧係数β = –0.42 %/hPaおよびエアシャワー率のβ = –0.77 %/hPaを用いた。
• 検出器率との相関を高めるために、20–120 hPaの圧力層にわたる成層圏温度の重み付き平均としての効果的温度T_effを計算した。
• 効果的温度T_effを用いて、パイオン／カイオンの崩壊確率と衝突確率のバランスをモデル化し、検出器率と大気密度・組成の関係を結びつけた。
• 例外的出来事象（2002年のSSWおよび2007–2008年の極渦ダイナミクス）中のアイスカウルのミューオン率と成層圏温度異常の比較を行った。
• 時系列解析を適用し、異常な率の変化（例：2008年8月6日の3%の増加）を検出し、下部および中成層圏における急激な温度変化と相関させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 南極における季節的および短期的成層圏温度変動が、アイスカウル深層検出器内の高エネルギーミューオン率にどのように作用するか？
• RQ2 表面のIceTop DOM計数率と40–80 hPa成層圏温度の関係は何か？また、気圧がこの相関に与える影響は？
• RQ3 20–120 hPaのオゾン層における大気密度の変化が、パイオン／カイオンの崩壊と衝突のバランスにどの程度影響を及ぼし、それがアイスカウルのトリガー率にどのように反映されるか？
• RQ4 アイスカウルは、ミューオンおよびエアシャワー率の変化を通じて、突然の成層圏温暖化や極渦の破壊といった極端な大気出来事象を検出・追跡できるか？
• RQ5 複数の圧力層からのデータを統合して導出された効果的温度T_effは、アイスカウルおよびIceTop率の観測された変調をどの程度正確に予測できるか？

主な発見

• アイスカウル深層検出器内の高エネルギーミューオン率は、季節的に±10%の変調を示し、中成層圏（30–60 hPa）が最も暖かく希薄になる1月下旬にピークに達する。この時期はパイオンの崩壊が促進される。
• 表面のIceTop DOM計数率は、40–80 hPa層の温度と±5%の反比例関係にあり、成層圏密度が最も高い7月下旬に最小値を示す。この時期はパイオンの衝突が支配的である。
• 20–120 hPaの範囲で重み付き平均として計算された効果的温度T_effは、アイスカウルのミューオン率およびIceTop DOM率の両者と強く相関しており、それぞれの相関係数は–0.975および–0.969であった。
• 2002年の突然の成層圏温暖化（SSW）の際、アイスカウルの前身であるAMANDA-IIは、数日間で40–50 hPa層の温度が40–60 K上昇したことに伴い、ミューオン率が3%増加したのを検出した。
• 2008年8月6日、アイスカウルのミューオン率に3%の異常な増加が観測されたが、これは40–80 hPa層における成層圏温度の急激な異常と直接的に相関しており、アイスカウルが短時間スケールの大気力学に敏感であることを確認した。
• IceTop DOMsの気圧係数は–0.42 %/hPa、エアシャワー率の気圧係数は–0.77 %/hPaとして測定され、表面率が強い気圧変調を受けること、正確な大気モニタリングのための補正が必要であることが確認された。