[論文レビュー] Photoionization rates for helium: update

J. M. Sokół, M. Bzowski|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2014

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、1947年から2002年までの1 AUにおける中性銀河間ヘリウムの太陽光電離率を再構築するための新規手法を提示する。既存のEUVプロキシに起因するキャリブレーション問題を特定した後、非線形的でセクター別加重反復フィットを用い、F10.7（10.7 cm太陽電波放射度）をプロキシとして用いる。得られたべき乗則的関係（p ≈ 0.57）は、太陽活動極小期では10%未満、極大期では20%までの不確実性を示し、古くなったモデルとは異なり、キャリブレーションが一貫した信頼性の高い代替手段を提供する。

ABSTRACT

The NIS He gas has been observed at a few AU to the Sun almost from the beginning of the space age. To model its flow an estimate of the loss rates due to ionization by solar extreme-ultraviolet (EUV) flux is needed. The EUV irradiance has been measured directly from mid 1990-ties, but with high temporal and spectral resolution only from 2002. Beforehand only EUV proxies are available. A new method of reconstruction of the Carrington rotation averaged photoionization rates for neutral interstellar helium (NIS He) in the ecliptic at 1 AU to the Sun before 2002 is presented. We investigate the relation between the solar rotation averaged time series of the ionization rates for NIS He at 1 AU derived from TIMED measurements of EUV irradiance and the solar 10.7 cm flux (F10.7) only. We perform a weighted iterative fit of a nonlinear model to data split into sectors. The obtained formula allows to reconstruct the solar rotation averages of photoionization rates for He between ~1947 and 2002 with an uncertainty ranging from less than 10% during solar minimum up to 20% for solar maximum.

研究の動機と目的

• 2002年以前に、直接的なEUV測定が利用可能でなかった中性銀河間ヘリウム（NIS He）の信頼性が高く一貫性のある光電離率推定値が不足している問題を解決すること。
• 最近、キャリブレーション誤差が判明したSOHO/CELIAS/SEMおよびSOLSTICE/MgIIデータに依存していた過去のモデルに内在するバイアスを是正すること。
• 長期にわたり一貫性があり継続性に優れるF10.7指数にのみ依存する、時間不変の頑健な再構築手法を開発すること。
• 長期間のハリオスフィアおよび銀河間媒体研究を支援する、キャリブレーションが一貫した公開可能なプロキシベースのモデルを提供すること。

提案手法

• 著者らは、1947年から2002年までのCarrington回転平均F10.7放射度データを、太陽EUV放射度の主なプロキシとして用いる。
• 直接的なTIMED/SEE EUP測定から得られた光電離率とF10.7を関連付けるために、非線形的で加重反復フィッティング手順を適用する。
• データは光電離率の値に基づいてセクターに分けられ、太陽活動レベル全体にわたるバランスの取れた重み付けがなされ、極小期および極大期の両方での精度が向上する。
• フィッティングモデルは、xがF10.7、yが再構築された光電離率であるべき乗則関数 y = a·x^p + b の形を取る。ここでp ≈ 0.57である。
• 太陽周期にわたるデータ分布の非一様性に対処するため、データをセクターに分け、反復的重み付けを適用してバイアスを最小化する。
• モデルは直接的なTIMED測定と照合され、平均して約12%の相対不確実性を達成しており、太陽活動極小期では10%未満、極大期では20%に達する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 F10.7プロキシのみを用いて、2002年以前のNIS Heの信頼性が高くキャリブレーションが一貫した光電離率再構築が可能かどうか。
• RQ2 既知のキャリブレーション問題が判明した後、F10.7プロキシがSEMやMgIIなどの過去に使われたEUVプロキシと比較して、性能にどのように差が現れるか。
• RQ3 F10.7と光電離率の関係が複数の太陽周期にわたり安定しているか。長期的再構築が可能かどうか。
• RQ4 F10.7と光電離率の非線形関係をモデル化する最適な関数形は何か。
• RQ5 再構築された率の不確実性は太陽活動周期の段階にどのように依存するか。また、その不確実性は定量的に評価可能か。

主な発見

• F10.7に基づく再構築された光電離率は、べき乗則的依存性を示し、べき乗指数は約0.57であり、F10.7放射度とのほぼ平方根的関係を示している。
• 再構築された率の不確実性は、太陽活動極小期では10%未満、極大期では最大20%に達し、平均で約12%である。
• 本モデルは、Bochslerら（2014）のプロキシベースモデルと比較して約10%高い光電離率を生成しており、太陽活動極大期では最大15%の差が生じる。
• SOHO/CELIAS/SEMデータに依存していた過去のモデルよりも著しく精度が高く、後続の調査でこのデータが太陽活動極小期にEUV放射度を約12%低く見積もっていることが判明した。
• 短時間スケールのダイナミクスにわずかな不一致があるとしても、F10.7プロキシは長期的な相関が強く、安定的で信頼性があるプロキシのままである。
• 本研究は、F10.7系列が太陽活動周期22/23と23/24の極小期間に観測されたヘリウムII線におけるEUVの約12%の減少を反映していないことを確認した。これは、F10.7がEUV変動のすべてを完全に捉えていない可能性を示唆するが、これはモデルの不確実性範囲内に収まっている。