[論文レビュー] On the causes and mechanisms of the long-term variations in the GCR characteristics

М. Б. Крайнев, J. Kóta+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2015

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 27被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、銀河宇宙線（GCR）強度および非対称性の長期的（11年および22年）変動を駆動するメカニズムに関する未解決の論争を検討し、特に高エネルギーおよび太陽系外縁距離において、従来の仮定よりも顕著な役割を果たす粒子の拡散（drifts）—太陽活動のポリロイダル成分に関連する—の重要性を主張する。高精度な数値手法、特に同時調制モデル化と部分的強度分解を用いて、拡散、対流、断熱的エネルギー損失、および拡散の寄与を定量的に分離し、その結果、拡散が11年および22年間のGCR変動に強く寄与していることが判明した。特に太陽系外縁部において顕著である。

ABSTRACT

We argue that the degree of understanding the causes and mechanisms of the long-term variations (11-year and 22-year) in the galactic cosmic rays (GCR) characteristics is still insufficient and to improve it we need new approaches and methods. For the time being there is a long-lasting controversy on how these long-term variations, observed for more than 50 years in the inner heliosphere, are formed. It is widely believed that the 11-year variation is due entirely to the toroidal branch of solar activity (the area and number of sunspots, the strength of the heliospheric magnetic field etc) because of the diffusion, convection and adiabatic energy loss, while the much smaller 22-year variation is caused by the particle drifts connected with the poloidal branch of solar activity (the high-latitude solar magnetic fields). At the same time, both past and more recent numerical simulations indicate that the contribution of particle drifts could be significant for both 22- and 11-year variations in the GCR intensities. However, even those who agree on the significant influence of drifts appear to have different perceptions on the mechanisms of this influence. In this paper, we present an analysis of the possible causes of the first point of view (small role of drifts in the 11-year GCR variation) and the reasons why one can expect the significant contri- bution of the processes connected with the poloidal branch of solar activity in both types of the long-term variations of the GCR characteristics. Then we briefly discuss some numerical methods suggested in the past and recently and the approaches and perspectives for the sought-for methods are considered.

研究の動機と目的

• 太陽活動の2つの成分（トロイダル： sunspot cycle および ポリロイダル：高緯度磁場）が長期的GCR変動に与える寄与の相対的寄与を解明すること。
• 11年間のGCR強度変動が拡散および対流によって支配され、拡散が僅かな役割を果たすという広く受け入れられている見解に挑戦すること。
• 個々の調制メカニズム（拡散、対流、拡散、エネルギー損失）の影響を物理的に整合的に分離できるように、改善された数値手法を開発・提唱すること。
• 拡散が11年および22年間のGCR変動に顕著に寄与しており、特に高エネルギーおよび数十AUを超える領域（グローバル調制が支配的となる領域）で顕著であることを示すこと。
• 従来のモデリング結果に見られる不整合を解消するため、すべての調制要因を同時にシミュレートする重要性を強調し、逐次的摂動実験とは対照的に扱うこと。

提案手法

• GCR調制の理論的基盤として、輸送偏微分方程式（TPE）を用いる。
• 時間変化する太陽系プラズマパラメータとの粒子相互作用をシミュレートするため、確率的微分方程式（SDEs）を適用する。
• 1回のシミュレーション実行内で、個々の物理的プロセス（拡散、対流、断熱的エネルギー損失、粒子の拡散）に関連する部分的強度を分離するための数値的分解技術を用いる。
• 1つの調制要因のみを変化させた複数のシミュレーション実行結果と、すべての要因が同時に変化する実行結果を比較し、勾配およびフラックスの差を評価する。
• 外縁から内縁への太陽系におけるエネルギー依存性を持つ強度勾配の進化を分析し、拡散が粒子分布に与える影響を評価する。
• 個々の粒子軌道（粒子ごとの）と場の記述（分布関数）の両方の視点から統合し、拡散効果に関する矛盾する解釈を統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 粒子の拡散が11年間のGCR強度変動に果たす真の定量的寄与は何か？ また、拡散および対流との比較において、その寄与はどの程度か？
• RQ2 なぜ異なるモデリング研究では、特に23/24の異常な太陽活動最小期において、拡散寄与の推定値に矛盾が生じるのか？
• RQ3 太陽風速度、磁場強度、極性などのすべての太陽系パラメータが同時に変化する場合、個別摂動実験と比較して、GCR調制を支配する勾配およびフラックスにどのような影響を与えるか？
• RQ4 外縁太陽系におけるエネルギー依存性を持つ強度勾配が、全体の調制にどのように寄与するか？ また、拡散はこのプロセスをどのように形作るか？
• RQ5 GCR調制メカニズムの整合的かつ物理的に正確な分解を達成するためには、どのような手法的改善が必要か？

主な発見

• 逐次的摂動実行を用いるモデルでは、粒子の拡散が11年間のGCR強度変動に与える寄与が著しく低く評価されている。これは、強度勾配の不一致に起因する。
• 1回のシミュレーションですべての調節要因を同時に変化させることで、勾配およびフラックスの物理的整合性が保たれ、拡散効果のより正確な推定が可能になる。
• 拡散は、GCRの有効なパス長および太陽系内での滞在時間を短縮し、HMFの極性（A > 0 および A < 0）に関係なく、内縁太陽系への浸透を促進し、結果として強度を上昇させる。
• GCR非対称性の22年周期変動（W波）は、主に太陽活動のポリロイダル成分に関連する拡散に起因しており、これが粒子輸送調節におけるその役割を裏付ける。
• 11年間の非対称性変動（V波）も、長年の仮定とは対照的に、拡散の影響を受ける可能性が非常に高い。
• 外縁太陽系（数十AUを超える領域）は、グローバルGCR調節を決定づける支配的役割を果たしており、高エネルギーおよび大径方向距離において、拡散効果がますます重要になる。