[論文レビュー] Recovery of 150-250 MeV/nuc Cosmic Ray Helium Nuclei Intensities Between 2004-2010 Near the Earth, at Voyager 2 and Voyager 1 in the Heliosheath - A Two Zone Helioshpere

W. R. Webber, F. B. McDonald+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 33被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、2004年から2010年の間に地球（IMP/ACE）およびハリオスフィア内縁部におけるボイジャー1号・2号のデータを用いて、150–250 MeV/nucの宇宙線ヘリウム核の強度回復をモデル化する。二領域ヘリオスフィア輸送モデルを提案し、それぞれ異なる拡散係数を有する。その結果、ヘリオスフィア内縁部は、内側ヘリオスフィアに比べて約5倍低い拡散を示す拡散障壁として機能しており、すべての地点で強度変動が数パーセントの範囲に収まることを示した。わずかな不一致は10%のヘリオスフィアの圧縮によって説明可能である。

ABSTRACT

The recovery of cosmic ray He nuclei of energy ~150-250 MeV/nuc in solar cycle #23 from 2004 to 2010 has been followed at the Earth using IMP and ACE data and at V2 between 74-92 AU and also at V1 beyond the heliospheric termination shock (91-113 AU). The correlation coefficient between the intensities at the Earth and at V1 during this time period is remarkable (0.921), after allowing for a ~0.9 year delay due to the solar wind propagation time from the Earth to the outer heliosphere. To describe the intensity changes and to predict the absolute intensities measured at all three locations we have used a simple spherically symmetric (no drift) two-zone heliospheric transport model with specific values for the diffusion coefficient in both the inner and outer zones. The diffusion coefficient in the outer zone, assumed to be the heliosheath from about 90 to 120 (130) AU, is determined to be ~5 times smaller than that in the inner zone out to 90 AU. This means the Heliosheath acts much like a diffusing barrier in this model. The absolute magnitude of the intensities and the intensity changes at V1 and the Earth are described to within a few percent by a diffusion coefficient that varies with time by a factor ~4 in the inner zone and only a factor of ~1.5 in the outer zone over the time period from 2004-2010. For V2 the observed intensities follow a curve that is as much as 25% higher than the calculated intensities at the V2 radius and at times the observed V2 intensities are equal to those at V1. At least one-half of the difference between the calculated and observed intensities between V1 and V2 can be explained if the heliosphere is squashed by ~10% in distance (non-spherical) so that the HTS location is closer to the Sun in the direction of V2 compared to V1.

研究の動機と目的

• 2004年から2010年までの太陽活動周期#23中に、高エネルギー宇宙線ヘリウム核（150–250 MeV/nuc）の回復を理解すること。
• 地球、ボイジャー1号、ボイジャー2号における観測された強度変動を説明すること。
• 地球、ボイジャー1号、ボイジャー2号のすべての地点で絶対強度と時間的変化を正確に予測できる二領域ヘリオスフィア輸送モデルを開発すること。
• ヘリオスフィア内縁部の拡散および非球形幾何構造の役割が、モデルと観測の間の不一致を説明するのにどの程度寄与するかを調査すること。

提案手法

• 球対称で二領域のヘリオスフィア輸送モデルを用い、内側領域（約90 AUまで）と外側領域（ヘリオスフィア内縁部、約90–130 AU）でそれぞれ異なる拡散係数を設定する。
• 太陽風が地球から外側ヘリオスフィアに到達するまでの約0.9年間の時間遅れをモデルに組み込む。
• 拡散係数を時間とともに変化可能とし、2004年から2010年の間に内側領域で約4倍、外側領域で約1.5倍の変動を許容する。
• 時間依存の拡散係数を用いて、地球、ボイジャー1号、ボイジャー2号における強度を予測し、IMP、ACE、ボイジャー1号、ボイジャー2号の観測データと比較する。
• 観測されたボイジャー1号と2号の強度差を説明するために、ヘリオスフィアを10%圧縮する非球形ヘリオスフィアモデルを検証する。
• 観測強度とモデル強度の間の相関係数を用いてモデルを検証し、地球とボイジャー1号の強度間に高い相関（0.921）が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2004年から2010年の間に、地球、ボイジャー1号、ボイジャー2号における150–250 MeV/nucの宇宙線ヘリウム核の強度はどのように変化するか？
• RQ2 内側および外側ヘリオスフィアにおけるどの拡散係数の値が、すべての地点における観測された強度変化と絶対強度を最もよく再現するか？
• RQ3 なぜ観測されたボイジャー2号の強度はモデル予測を最大25%上回るのか？これはヘリオスフィアの幾何構造によって説明可能か？
• RQ4 ヘリオスフィア内縁部は内側ヘリオスフィアに比べて、どの程度拡散障壁として機能するか？
• RQ5 時間的に変化する拡散係数を有する二領域輸送モデルは、ヘリオスフィア全域における強度変化を正確に予測できるか？

主な発見

• 地球とボイジャー1号の観測強度間の相関係数は0.921であり、太陽風の0.9年間の伝播遅れを考慮した上で、強い一貫性が確認された。
• 外側ヘリオスフィア（ヘリオスフィア内縁部）における拡散係数は、内側ヘリオスフィアに比べて約5倍小さいことから、ヘリオスフィア内縁部が顕著な拡散障壁として機能することが示された。
• 時間依存の拡散係数を用いることで、すべての地点における絶対強度が数パーセントの範囲に収まり、2004年から2010年の間に内側領域で約4倍、外側領域で約1.5倍の変動を示した。
• 観測されたボイジャー2号の強度は、モデル予測を最大25%上回っており、時としてボイジャー1号の強度と一致することもあった。
• ボイジャー2号における観測とモデルの不一致の少なくとも半分は、ボイジャー2号方向におけるヘリオスフィア終端衝撃への距離を短くする10%のヘリオスフィア圧縮によって説明可能である。
• 空間的・時間的に変化する拡散係数を有する二領域モデルは、ヘリオスフィア全域における高エネルギー宇宙線ヘリウム核の回復を成功裏に記述できた。