[논문 리뷰] A comparison of new calculations of 10be production in the earths polar atmosphere by cosmic rays with 10be concentration measurements in polar ice cores between 1939-2005 - a troubling lack of concordance paper #1

W. R. Webber, P. R. Higbie|arXiv (Cornell University)|2010. 03. 25.

Radioactivity and Radon Measurements인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 1939–2005년 기간 동안 태양에 의한 갤럭틱 우주선 조절과 인공위성 측정 우주선 스펙트럼을 바탕으로 한 지구 극대기에서의 10Be 생성 신규 물리 기반 계산치를 극지방 얼음 코어의 10Be 농도 측정치와 비교한다. 연구 결과, 상관관계는 약한 편(r ≈ 0.30), 단순 비례 모델 예측값인 1.0 대비 회귀 기울기는 뿐만 아니라 얼음 코어 데이터에서 설명되지 않는 급격한 상승이 관찰되어, 10Be 농도 변화는 우주선 유도 생성 외에도 기후 또는 지역적 과정에 의해 유사한 정도로 영향을 받음을 시사한다.

ABSTRACT

Using new calculations of 10Be production in the Earths atmosphere which are based on direct measurements of the 11-year solar modulation effects on galactic cosmic rays and spacecraft measurements of the cosmic ray energy spectrum, we have calculated the yearly average production of 10Be in the Earths atmosphere by galactic and solar cosmic rays since 1939. During the last six 11-year cycles the average amplitude of these production changes is 36%. These predictions are compared with measurements of 10Be concentration in polar ice cores in both the Northern and Southern hemisphere over the same time period. We find a large scatter between the predicted and measured yearly average data sets and a low cross correlation ~0.30. Also the normalized regression line slope between 10Be production changes and 10Be concentration changes is found to be only 0.4-0.6; much less than the value of 1.0 expected for a simple proportionality between these quantities, as is typically used for historical projections of the relationship between 10Be concentration and solar activity. The distribution of yearly averages in the 10Be concentration level in the data from the Dye-3 ice core in Greenland for the time period 1939-1985, contains a "spike" of high concentration one year averages which is not seen in the production calculations. These and other features suggest that galactic cosmic ray intensity changes which affect the production of 10Be in the Earths atmosphere are not the sole source of the 10Be concentration changes and confirm the importance of other effects, for example local and regional climatic effects, which could be of the same magnitude as the 10Be production changes.

연구 동기 및 목표

• 1939–2005년 기간 동안 극지방 얼음 코어에서 관측된 10Be 농도와 새로운 데이터 기반 10Be 생성 계산 간의 일致성 평가
• 은하계 우주선 조절만으로 얼음 코어에서 관측된 10Be 농도 변화를 설명할 수 있는지 평가
• 표준 가정인 10Be 농도가 10Be 생성률에 직접 비례한다는 것의 타당성 검증
• 모의된 10Be 생성과 측정된 농도 간의 괴리, 특히 Dye-3 얼음 코어 데이터에서 관찰된 설명되지 않는 급격한 상승점 분석
• 대기 이동, 침강 효율성, 지역 기후 변동성과 같은 비우주선 요인이 10Be 농도 기록 형성에 기여하는지 조사

제안 방법

• 11년 주기 동안 태양 조절에 의한 은하계 우주선에 미치는 영향를 직접 측정한 자료를 이용해 신규 10Be 생성률 계산
• 우주비행선 관측 자료를 기반으로 우주선 에너지 스펙트럼 유도하여 대기 중 이온화 및 분열 반응 모델링 정확도 향상
• 1939–2005년 기간 동안 연간 평균 10Be 생성률 계산, 태양 조절 및 우주선 강도 변화 반영
• 북반구 및 남반구 얼음 코어(예: Dye-3 포함)에서의 측정된 10Be 농도를 연간 평균화하여 추출
• 통계적 비교 수행, 상관분석 및 생성량 변화와 농도 변화 간 정규화 선형 회귀 분석 포함
• Dye-3 얼음 코어 데이터에서 관찰된 이질성(예: 생성 모델에 반영되지 않은 고농도 급격 상승) 분석을 통해 비우주선 영향 요인 탐색

실험 결과

연구 질문

• RQ1 신규 데이터 기반 10Be 생성 계산치가 1939–2005년 기간 동안 극지방 얼음 코어에서 관측된 10Be 농도와 어느 정도 일치하는가?
• RQ2 10Be 생성과 농도 간 관측된 상관관계가 예상되는 단순 비례 모델의 1.0 대비 매우 낮은 r ≈ 0.30인 이유는 무엇인가?
• RQ3 1939–1985년 기간 동안 Dye-3 얼음 코어에서 관측된 고농도 급격 상승은 10Be 생성 계산치에 반영되지 않는데, 이는 무엇을 의미하는가?
• RQ4 대기 이동, 침강 효율성, 지역 기후 변동성과 같은 비우주선 요인이 10Be 농도 변화에 기여하는가? 그 기여 정도는 생성 변화와 유사한 수준인가?
• RQ5 10Be 생성 변화와 농도 변화 간의 회귀 기울기가 기대되는 1.0 대비 훨씬 낮은 0.4–0.6인 이유는 무엇인가?

주요 결과

• 모의된 10Be 생성과 측정된 10Be 농도 간 상관관계 계수는 약 0.30에 불과하여 약한 통계적 관계를 시사한다.
• 10Be 생성 변화와 10Be 농도 변화 간 정규화 선형 회귀 기울기는 0.4–0.6으로, 직접 비례 모델의 기대값인 1.0보다 유의미하게 낮다.
• 1939–1985년 기간 동안 Dye-3 얼음 코어에서 관측된 뚜렷한 10Be 농도 급격 상승은 10Be 생성 계산치에 재현되지 않아, 이 이상은 우주선 외의 원인에 기인한 것으로 보인다.
• 최근 6개의 11년 주기 동안 10Be 생성 변화의 평균 폭은 36%로, 생성률의 상당한 변동성을 시사한다.
• 관측된 괴리로부터 우주선 유도 생성 외에도 지역 또는 지역 기후적 요인이 10Be 농도 변화에 기여하며, 그 영향력은 생성 변화와 유사한 정도임을 시사한다.
• 결과적으로, 얼음 코어 내 10Be 농도가 은하계 우주선 태양 조절의 신뢰할 수 있는 직접 산업으로 간주될 수 있다는 표준 가정이 도전받고 있다.