[論文レビュー] Understanding the Effect of Atmospheric Density on the Cosmic Ray Flux Variations at the Earth Surface

Mathes Dayananda, Xiaohang Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、Geant4シミュレーションフレームワークを用いて、対流圏および成層圏の空気密度変化が地球表面における宇宙線ミューオンおよび中性子フラックスに与える影響を初めて数値的にシミュレートした。成層圏の密度変化がミューオンフラックスを主に制御するのに対し、対流圏の密度変化が主に中性子フラックスに影響を与えることが判明し、宇宙線データを用いた全球的大気温度変化のモニタリングに物理的根拠が得られた。

ABSTRACT

We report in this letter for the first time the numerical simulations of muon and neutron flux variations at the surface of the earth with varying air densities in the troposphere and stratosphere. The simulated neutron and muon flux variations are in very good agreement with the measured neutron flux variation in Oulu and the muon flux variation in Atlanta. We conclude from this study that the stratosphere air density variation dominates the effects on the muon flux changes while the density variation in troposphere mainly influences the neutron count variation. These results pave a new path for systematically studying the global temperature evolution using worldwide cosmic ray data.

研究の動機と目的

• 対流圏および成層圏の空気密度変動が地球表面における宇宙線ミューオンおよび中性子フラックスに与える影響を定量化すること。
• 大気密度の揺らぎと観測された宇宙線フラックスの季節的変動との間に物理的リンクを確立すること。
• シミュレーション結果を実世界のオウルーよりの中性子（Oulu）およびアトランタよるミューオン（Atlanta）フラックス測定値と照合すること。
• 宇宙線データを用いて長期的な全球的気温変化を推定するプロキシとしての可能性を検討すること。
• ミューオンおよび中性子フラックスの変調を支配する主な大気層を特定すること。

提案手法

• 宇宙線シャワーを100 kmの高さ、50 kmの直径を有する大気柱内でモデル化するため、Geant4ツールキットを用いてシミュレーションを実施した。
• 空気密度は理想気体の法則を用いてパラメータ化した：ρ = P / (0.2869(T + 273.1))、ここでPはkPa単位の圧力、Tは°C単位の温度である。
• 一次宇宙線はBeringerら（2012）のエネルギースペクトルに従い、垂直方向のプロトンとしてモデル化した。この研究ではプロトンのみを含めた。
• 季節変動を模擬するため、対流圏の密度を年平均の98%から102%まで変化させた。一方、あるシミュレーションセットでは成層圏の密度を一定に保った。
• 成層圏の密度を平均値の90%から110%まで変化させ、対流圏の密度を固定することで、成層圏の密度変化がミューオンフラックスに与える影響を独立して評価した。
• 密度変化とミューオン生成および崩壊ダイナミクスの関連を解明するため、シャワー最大高さの分布を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 対流圏の空気密度変動は、宇宙線中性子の表面フラックスにどのように影響を与えるか？
• RQ2 成層圏の空気密度は、地球表面におけるミューオンフラックスの変調に果たす役割は何か？
• RQ3 シミュレートされたフラックス変動は、オウルーやアトランタでの実世界の測定値とどの程度一致するか？
• RQ4 宇宙線フラックスの変動を、大気温度変化のプロキシとして用いることは可能か？
• RQ5 大気密度の揺らぎとミューオンおよび中性子フラックス変調との間に存在する物理的メカニズムは何か？

主な発見

• シミュレートされた中性子フラックス変動は、フィンランドのソダンキラ地球物理観測所からの測定データと良好に一致しており、対流圏の密度変動が中性子フラックス変動の主因であることを確認した。
• 成層圏の空気密度変動のみが、ミューオンフラックスに顕著な変調を引き起こし、シミュレーション結果はジョージア州立大学のアトランタで観測された季節的変動と密接に一致した。
• 成層圏の密度変動（90%から110%）に起因するシミュレートされたミューオンフラックス変動は、密度と強い逆相関を示しており、冬に高いミューオン率、夏に低いミューオン率であることに一致した。
• 宇宙線シャワーの最大高さは、成層圏の密度が低下するにつれて上昇し、これが夏にミューオンが表面に到達する前に崩壊する原因であると説明できる。
• シミュレートされたシャワー最大高さと、ピーチツリー・シティ（2011–2013年）の圧力-高度データの外挿結果との間で顕著な一致が観察され、シミュレーションモデルの妥当性が裏付けられた。
• 本研究は、成層圏の密度変動がミューオンフラックス変調を支配しており、対流圏の変動が主に中性子フラックスに影響を与えると結論づけ、宇宙線データを用いた気候モニタリングの新たなアプローチが可能になった。