[논문 리뷰] Application of a full chain analysis using neutron monitor data for space weather studies

Alexander Mishev, Ilya Usoskin|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 21.

Nuclear Physics and Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 지상 레벨 강화(GLEs) 동안 비행기 승무원의 방사선 노출에 기여하는 태양 고에너지 입자(SEP) 기여도를 평가하기 위해 중성자 모니터(NM) 데이터를 사용하는 전 체인 수치 모델을 제시한다. NM 반응으로부터 SEP 스펙트럼 및 입사각 특성을 모델링하고, 새로 계산된 수확 함수를 적용함으로써, 상업적 비행 고도에서의 효과적 선량률을 정확하게 계산한다. 2006년 12월 GLE 70 기간 동안 이전의 추정치와 강한 일치를 보이며, 피크 선량률이 40–50 μSv/h에 도달함을 입증한다.

ABSTRACT

An important topic in the field of space weather is the precise assessment of the contribution of galactic cosmic rays and solar energetic particles on air crew exposure, specifically during eruptive events on the Sun. Here we present a model, a full chain analysis based on ground based measurements of cosmic rays with neutron monitors, subsequent derivation of particle spectral and angular characteristics and computation of dose rate. The model uses method for ground level enhancement analysis and newly numerically computed yield functions for conversion of secondary particle fluence to effective dose and/or the ambient dose equivalent. The precise an adequate information about the solar energetic particle spectra (SEPs) is the basis of the model. Since SEPs possess an essential isotropic part, specifically during the event onset, the angular characteristics should be also derived with good precision. This can be achieved using neutron monitor data during a special class of SEP events the ground level enhancements (GLEs). On the basis of the method representing a sequence of consecutive steps: computation of the NM asymptotic cones, NM rigidity cut-off and application of convenient optimization procedure, we derive the rigidity spectra and anisotropy characteristics of GLE particles. For the computation we use newly computed yield function of the standard sea-level 6NM64 neutron monitor for primary proton and alpha CR nuclei as well as 6NM64 yield function at altitudes ranging from the sea level up to 5000 m above the sea level. We derive the SEP spectra and pitch angle distributions in their dynamical development throughout the event. Subsequently on the basis of the derived spectra and angular characteristics and previously computed yield functions we calculate the effective dose and/or ambient dose equivalent during the GLE. Several examples are shown.

연구 동기 및 목표

• 지상 레벨 강화(GLEs) 동안 태양 고에너지 입자(SEP) 사건 동안 비행기 승무원의 방사선 노출 평가 정확도를 향상시키기 위해.
• 지상 기반 중성자 모니터 측정치와 비행 고도에서의 효과적 선량률을 연결하는 종합적이고 물리 기반의 모델을 개발하기 위해.
• 주요 GLE 사건 동안 시간에 따라 변화하는 SEP 스펙트럼의 경화/연화 및 입사각 비대칭성을 고려하기 위해.
• 특히 2006년 12월 13일 GLE 70에 대해 독립적인 선량 추정치와 비교하여 모델을 검증하기 위해.
• 사전 계산된 NM 비상수 원추 데이터를 활용하여 주요 우주_WEATHER 이벤트 동안 근접 실시간(nowcasting) 방사선 노출 예측을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 다양한 글로벌 지점의 중성자 모니터(NM) 데이터를 활용하여 GLE 기간 동안 SEP의 강성 스펙트럼 및 편향각 분포를 추론한다.
• 지구 자기권과 대기를 통한 SEP 전파를 세밀하게 시뮬레이션하며, 각 NM에 대한 수용 원추와 강성 절단값(Rc) 계산을 포함한다.
• 관측된 NM 카운트 속도로부터 SEP 스펙트럼 및 입사각 특성을 유도하기 위해 수치 최적화 절차를 적용한다.
• 최근 계산된 수확 함수를 통해 6NM64 중성자 모니터에서 측정한 2차 입자 조도를 다양한 고도(해수면에서 5,000m까지)에서의 효과적 선량 및 환경 선량 등가로 변환한다.
• 시간 해상도를 갖춘 SEP 스펙트럼 및 입사각 분포를 고도 및 위치에 따라 달라지는 수확 함수와 통합하여 35,000피트(10,668m) 고도에서의 선량률을 계산한다.
• 사전 계산된 NM 비상수 궤적 데이터베이스를 활용하여 NM 데이터의 역산을 근접 실시간으로 수행함으로써, 실시간 예측 응용을 지원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지상 레벨 강화 기간 동안 중성자 모니터 데이터를 얼마나 정확하게 사용하여 태양 고에너지 입자의 강성 스펙트럼 및 입사각 분포를 재구성할 수 있는가?
• RQ2 주요 GLE 사건 기간 동안 상업적 비행 고도에서 SEP의 효과적 선량률에 기여하는 정도는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 GLE 이벤트의 초기기, 주기, 후기 단계 동안 SEP 스펙트럼의 경화 및 입사각 확산은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 모델이 계산한 선량률이 기존에 발표된 추정치와 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 이 모델을 주요 태양 프로톤 사건 기간 동안 근접 실시간 방사선 노출 예측에 사용할 수 있는가?

주요 결과

• 2006년 12월 13일 GLE 70의 초기 단계에서, 모델은 강성 절단값 ≤1 GV인 지역에서 효과적 선량률이 40–50 μSv/h로 계산되었으며, 이는 이전 평가와 일치한다.
• 초기 스펙트럼은 강성과 강한 비대칭성을 보이며, 이벤트 초기에 기둥처럼 보이는 입사 flux를 띠고 있었다.
• 시간이 지남에 따라 스펙트럼은 점차 연화되어 이벤트 후기 단계에 이르러 순수한 거듭제곱 법칙으로 전환되었다.
• 이벤트 기간 동안 입사각 분포는 크게 넓어졌으며, 이는 SEP가 자기권으로 확산되면서 비대칭성이 감소했음을 나타낸다.
• 모델이 계산한 선량률은 이전 추정치와 매우 우수한 일치를 보이며, 정확성과 신뢰성을 검증하였다.
• 사전 계산된 NM 비상수 원추 데이터를 활용하여 모델은 근접 실시간(nowcasting)으로 방사선 노출을 예측할 수 있으며, 운영적 우주_WEATHER 응용을 지원한다.