[論文レビュー] Cosmic Ray Modulation studied with HelMod Monte Carlo tool and comparison with Ulysses Fast Scan Data during consecutive Solar Minima

P. Bobík, G. Boella+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2013

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、2006–2009年の連続する太陽活動最小期における宇宙線の圧縮を、HelMod 2D モンテカルロコードを用いてシミュレートした。時間に依存する拡산係数（中性子モニタから導出）と磁気漂流効果を組み込んだモデルは、太陽系における陽子および電子の緯度依存強度勾配を良好に再現し、粒子の電荷と惑星間磁場の極性（qA > 0 対 qA < 0）が極域への宇宙線の非対称的浸透を制御することを示した。

ABSTRACT

The Cosmic Rays propagation was studied in details using the HelMod-2D Monte Carlo code, that includes a general description of the diffusion tensor, and polar magnetic-field. The Numerical Approach used in this work is based on a set of Stochastic Differential Equations fully equivalent to the well know Parker Equation for the transport of Cosmic Rays. In our approach the Diffusion tensor in the frame of the magnetic field turbolence does not depends explicitly by Solar Latitude but varies with time using a diffusion parameter obtained by Neutron Monitors. The parameters of the Model were tuned using data during the solar Cycle 23 and Ulysses latitudinal Fast Scan in 1995. The actual parametrization is able to well reproduce the observed latitudinal gradient of protons and the southward shift of the minimum of latitudinal intensity. The description of the model is also available online at website www.helmod.org. The model was then applied on Pamela/Ulysses proton intensity from 2006 up to 2009. The model during this 4-year continous period agree well with both PAMELA (at 1 AU) and Ulysses data (at various solar distance and solar latitude). The agreement improves when considering the ratio between this data. Studies done also with particles with different charge (e.g. electrons) allow us to explain the presence (or not) of protons and electrons latitudinal gradients observed by Ulysses during the Latitudinal Fast Scan in 1995 and 2007.

研究の動機と目的

• 太陽活動最小期における宇宙線圧縮を、赤道面を越えて研究するため、HelMod モンテカルロモデルを赤道面を超えて拡張すること。
• 2006–2009年のUlyssesの高速走査データと1 AUにおけるPAMELA測定値とを比較して、モデルの妥当性を検証すること。
• 磁気漂流および惑星間磁場の極性が、緯度依存の宇宙線強度勾配をどのように形成するかを調査すること。
• モデルが、反対のIMF極性段階における陽子および電子の強度勾配の観測された非対称性を再現できるかを検証すること。
• 粒子の電荷および剛性が、太陽系の緯度にわたる宇宙線分布に与える影響を評価すること。

提案手法

• HelMod モンテカルロコードを用いた確率的微分方程式アプローチにより、Parker輸送方程式の数値解を求める。
• 中性子モニタデータから導出された時間に依存する拡散係数を組み込み、径方向依存性が ∝ r、剛性依存性が ∝ P/1 GV となるように設定する。
• ヘリオスフィア電流面の傾き角に比例してスケーリングされた、径方向、緯度方向、および中性面付近の漂流速度成分を含む。
• 境界条件を100 AUで設定し、地球軌道まで内向きに積分する2次元（径方向および余緯度）ヘリオスフィア幾何構造を用いる。
• Ulysses軌道上における1.7 GV 剛性の陽子および電子強度をシミュレートし、地球軌道値に正規化し、南極点で平均化する。
• モデル出力とUlysses KETおよびPAMELAデータを比較し、系統的誤差を最小限に抑えるために相対的強度比に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HelMod モンテカルロモデルは、2006–2009年の太陽活動最小期にUlyssesが観測した宇宙線陽子強度の緯度勾配をどの程度正確に再現できるか？
• RQ2 磁気漂流は、太陽系の緯度にわたる宇宙線の非対称的分布をどのように形成するか？
• RQ3 粒子の電荷と惑星間磁場極性の積の符号（qA）が、極域への宇宙線浸透に与える影響は何か？
• RQ4 モデルは、同じ剛性で陽子と電子の間で観測された強度勾配の逆転を再現できるか？
• RQ5 2007年の高速走査における反対のIMF極性段階（A > 0 と A < 0）において、モデルの性能は観測データとどのように一致するか？

主な発見

• HelMod モデルは、2006–2009年の太陽活動最小期における陽子強度の観測された緯度勾配を良好に再現しており、UlyssesおよびPAMELAデータと良好に一致した。
• 1.7 GV 剛性の陽子に対して、漂流効果を無視した場合、モデルは顕著な緯度勾配を予測しないが、漂流効果を含めると強い勾配が現れる。
• 粒子の電荷とIMF極性を考慮した場合（qA > 0）、モデルは極域への宇宙線浸透が強化されることを予測し、2007年の高速走査時の観測と整合的であった。
• 同じ剛性の電子に対しては、陽子とは逆の勾配が予測され、Ulyssesが観測した電荷依存の圧縮効果を確認した。
• モデルは、qA > 0 の場合、宇宙線が極域に容易に到達することを示し、qA < 0 の場合には緯度にわたる分布がより均一になることを示した。
• Ulyssesと地球軌道の強度比は、モデルで良好に再現されており、最近接時の正規化値が1に近く、系統的誤差に対するモデルの頑健性を裏付けた。