[論文レビュー] The two-step Forbush decrease: a tale of two substructures modulating galactic cosmic rays within coronal mass ejections

Miho Janvier, P. Démoulin+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2021

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 57被引用数 19

ひとこと要約

本研究では、17年間のACEデータと中性子モニタ観測を用いた重ね合わせエポック解析を通じて、惑星間コロナルムエジェクション（ICMEs）が銀河宇宙線（GCR）強度のフォービッシュ減少（FDs）を引き起こす役割を調査している。磁気フレア（MEs）が、先行するシース（sheath）を伴わずとも、顕著な二段階のFDsを引き起こすことができることを示しており、磁気場強度が、揺らぎよりも主な駆動要因であることが判明した。回復段階では、太陽系フレックス勾配と関連するGCRレベルの非対称性が観測された。

ABSTRACT

Interplanetary Coronal Mass Ejections (ICMEs) are known to modify the structure of the solar wind as well as interact with the space environment of planetary systems. Their large magnetic structures have been shown to interact with galactic cosmic rays, leading to the Forbush decrease (FD) phenomenon. We revisit in the present article the 17 years of Advanced Composition Explorer spacecraft ICME detection along with two neutron monitors (McMurdo and Oulu) with a superposed epoch analysis to further analyze the role of the magnetic ejecta in driving FDs. We investigate in the following the role of the sheath and the magnetic ejecta in driving FDs, and we further show that for ICMEs without a sheath, a magnetic ejecta only is able to drive significant FDs of comparable intensities. Furthermore, a comparison of samples with and without a sheath with similar speed profiles enable us to show that the magnetic field intensity, rather than its fluctuations, is the main driver for the FD. Finally, the recovery phase of the FD for isolated magnetic ejecta shows an anisotropy in the level of the GCRs. We relate this finding at 1 au to the gradient of the GCR flux found at different heliospheric distances from several interplanetary missions.

研究の動機と目的

• 銀河宇宙線（GCR）強度におけるフォービッシュ減少（FDs）を引き起こす要因として、シースと磁気フレア（MEs）の相対的役割を特定すること。
• シースが存在しない状況でも、磁気フレア（MEs）のみで顕著なFDsが生じるかどうかを評価すること。
• FDの大きさに影響する要因として、磁気場強度と場の揺らぎの影響を分離すること。
• 孤立したMEsに続くGCR回復段階における非対称性を調査し、太陽系フレックス勾配と関連付けること。

提案手法

• 17年間分のAdvanced Composition Explorer（ACE）のICME内側観測データに重ね合わせエポック解析（SEA）を適用した。
• マクマードおよびオウルの中性子モニタデータを用いて、GCR強度の変動を追跡した。
• 複数境界SEAを実施し、時間軸をMEの開始時刻および終了時刻に正規化することで、複数のイベント間での一貫性ある比較を実現した。
• シースを有する・ないICMEサンプルを、ME内での平均磁気場強度が一致するようにマッチングした。
• プラズマパラメータ（速度、温度、密度）および場の揺らぎ（rmsB）を分析し、FDsの駆動要因を特定した。
• FD回復段階における非対称性と、複数の太陽系間ミッションによるGCRフラックス勾配の観測データを相関させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シースが先行しない状況でも、磁気フレア（MEs）のみで顕著なフォービッシュ減少（FDs）が生じるか？
• RQ2 ICMEsにおけるFDの大きさを左右する主な要因は、磁気場強度か、場の揺らぎか？
• RQ3 平均Bが一定である条件下で、FDsを引き起こすICMEと引き起こさないICMEの間で、プラズマパラメータおよび場のプロファイルにどのような差が生じるか？
• RQ4 孤立したMEsに続くFDの回復段階で、なぜGCRレベルに非対称性が観測されるのか？
• RQ5 観測されたGCR非対称性は、異なる距離で測定された太陽系フレックス勾配とどのように関連しているか？

主な発見

• シースを伴わない磁気フレア（MEs）のみでも、シースを伴う場合と同等の強度の顕著なフォービッシュ減少（FDs）を引き起こすことができ、これはシースが強いFDsを引き起こすために不可欠であるという仮定に反する。
• FDの大きさを左右する主な要因は、磁気場強度であり、揺らぎ（rmsB）ではない。同じ平均Bレベルであっても、異なるプロファイルでは異なるFDの振幅が得られる。
• FDsを引き起こすICMEでは、平均Bが一致するにもかかわらず、ME内での磁気場プロファイルが対称的であるのに対し、非FDケースでは非対称で単調に増加するプロファイルを示す。
• FDsを引き起こすMEsは、より高い速度を示しており、1 AUへの到達時間が短いことが示唆され、GCR密度が低い「空っぽの」フラックスロープを形成しているのに対し、遅い「いっぱいの」MEsとは対照的である。
• 孤立したMEsに続くFDの回復段階では、GCRレベルの非対称性が観測され、これは複数の太陽系間ミッションによるGCRフラックス勾配の観測と相関している。
• 本研究では、MEsのグローバル磁気的構造、特に場強度と到達時間の影響がFD強度を決定づけることが明らかになった。局所的な乱流は二次的な役割を果たすにとどまる。