[論文レビュー] GeoMag and HelMod webmodels version for magnetosphere and heliosphere transport of cosmic rays

P. Bobík, M. Boschini+11 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2013

Ionosphere and magnetosphere dynamics被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、銀河宇宙線が太陽系および地球磁圏を通過する過程をシミュレートするウェブベースのモデル、GeoMag および HelMod を提示する。HelMod は、1990–2007年の1 AUにおける陽子フラックスの太陽圏モジュレーションを、Parker トランスポート方程式のモンテカルロ解法によりモデル化する。一方、GeoMag は、Tsyganenko 96/05 の外部磁場および IGRF-11 の内部磁場を用いて、垂直に入射する粒子の逆追跡を行い、剛性カットオフと軌道特性を計算する。主な貢献は、垂直近似の精度を定量的に評価可能な、公開可能なウェブインターフェースを提供することであり、高緯度地域では最大25%の誤差を伴う垂直近似の精度を明確に示している。

ABSTRACT

We implemented a website to deal with main effects on Cosmic Ray access to the Earth, i.e. the Solar Modulation and the Geomagnetic Field effect. In helmod.org the end user can easily access a web interface to results catalog of the HelMod Monte Carlo Code. This Model uses a Monte Carlo Approach to solves the Parker Transport Equation, obtaining a modulated proton flux for a period (monthly average) between January 1990 and december 2007. geomagsphere.org is instead based on GeoMag Backtracing Code, that solves the Lorentz equation with a Runge-Kutta method of 6th order, and, reversing charge sign and velocity, reconstruct particle trajectories in the Earth Magnetosphere back in time. We use last models of internal (IGRF-11) and external (Tsyganenko 1996 -T96- and 2005 -T05-) field components valid up to 2015. Particles are backtraced to the outer (magnetopause) or inner boundary to separate Primary (allowed trajectory) from Secondary (forbidden) Cosmic Rays. This code has been used both for reproducing known effects as East-West effect and rigidity cutoff calculations. In geomagsphere.org the user can choose the external field model from Tsyganenko (T96 or T05) and obtain for a fixed position and date from 1st Jan. 1968 (T96) and 1st Jan. 1995 (T05) respectively till 31$^{st}$ Dec 2012, the vertical rigidity cutoff estimation obtained with the backtracing technique with a rigidity step of 0.1 GV. For a more precise calculation (0.01 GV), requiring more CPU time, results are sent to the user by email (mail model)

研究の動機と目的

• 太陽系および地球磁圏を通る宇宙線輸送をモデル化する、アクセス可能なウェブベースのツールを提供すること。
• 宇宙線カットオフ剛性計算における垂直近似によって生じる誤差を定量化すること。
• 更新された地球磁気場モデルを用いて、時間的・空間的に依存する高精度の宇宙線剛性カットオフ推定値を提供すること。
• HelMod モデルを通じて、1 AU における長期的で月平均の陽子スペクトルへのアクセスを研究者に提供すること。
• 中性子モニタデータの解釈を支援し、許容される（一次）と禁止される（二次）宇宙線軌道を区別すること。

提案手法

• HelMod は、Parker トランスポート方程式をモンテカルロ法で解き、太陽系における陽子フラックスのモジュレーションをシミュレートする。
• GeoMag は、逆方向にローレンツ力方程式を6次ルンゲ＝クッタ法で解き、地球磁圏から磁気圏境界まで粒子軌道を逆追跡する。
• モデルは最新の地球磁気場モデルを組み込む：内部磁場には IGRF-11、外部磁場には Tsyganenko 1996/2005 を使用し、2015年まで有効である。
• ユーザーは特定の地理的位置、日付、外部磁場モデル（T96 または T05）を選択し、0.1 GV または 0.01 GV の解像度で垂直剛性カットオフを計算できる。
• 高精度の 0.01 GV 結果を得るためには、計算が実行され、結果はメール（メールモデル）で送信される。これは計算負荷の増加によるものである。
• モデルは、東西効果や剛性カットオフといった既知の効果と一致し、垂直入射と多次元入射粒子アプローチを比較することで妥当性を検証している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 垂直近似による宇宙線カットオフ剛性推定値の精度は、全方向多次元アプローチと比較してどの程度か？
• RQ2 Tsyganenko 96 と 05 の異なる外部地球磁気場モデルが、地球表面における剛性カットオフ推定値に与える影響は何か？
• RQ3 垂直入射と多次元入射粒子シミュレーションを用いた場合、異なる緯度における宇宙線強度の違いは何か？
• RQ4 1990–2007 年の期間にわたり、太陽圏モジュレーションが 1 AU における陽子フラックスに及ぼす影響は何か？エネルギーおよび時間的要因による変動は？
• RQ5 GeoMag の逆追跡モデルは、磁気圏の幾何学的構造に基づき、一次と二次の宇宙線軌道を信頼性を持って区別できるか？

主な発見

• 高緯度地域では、垂直近似が宇宙線強度を最大25%まで過大評価する。Lomnicky Stit では8%、Newark では12%、Oulu では9%の誤差が生じた。
• Lomnicky Stit では、全方向からの陽子強度は 4549 個/(m²·s·2π) であったが、垂直近似では 4943 に上昇し、9% の過大評価となった。
• HelMod モデルは、1990年1月1日から2007年12月31日までの1 AUにおける月平均の陽子スペクトルを提供し、23番目の太陽黒点周期をカバーしており、AMS-01 のチャンネルと一致する177個のエネルギー区分を含む。
• 2004年3月20日、4050か所の全球的地点（2°緯度 × 8°経度グリッド）における有効な垂直カットオフ剛性が計算され、geomagsphere.org からダウンロード可能となった。
• 南北60度の経線に沿った多次元シミュレーションでは、垂直近似の誤差が緯度とともに増加し、高緯度地域で最大25%に達した。
• GeoMag コードは、東西効果を正確に再現し、剛性カットオフを正確に計算しており、中性子モニタデータと照合された結果が得られた。