[논문 리뷰] GCR intensity during the sunspot maximum phase and the inversion of the heliospheric magnetic field

М. Б. Крайнев, G. A. Bazilevskaya외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 02.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 4인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 태양활동 24번 사이클의 최대기 동안 갈락틱 우주선(GCR) 강도, 헬리오스피어 자기장(HMF) 극성, 그리고 sunspot 활동을 분석하여, 기록상 가장 긴 HMF 역전 기간과 이례적인 GCR 행동을 규명하였다. HMF 극성 분포의 분류 체계를 도입함으로써, SC 24의 HMF 역전 단계는 기록상 가장 길었으며, GCR 강도는 지연되고 이례적인 이중간극 구조와 강한 에너지 히스테리시스를 보였으며, 이는 현재 태양활동 사이클의 최대기 동안 장기적인 조절 효과가 있었음을 시사한다.

ABSTRACT

The maximum phase of the solar cycle is characterized by several interesting features in the solar activity, heliospheric characteristics and the galactic cosmic ray (GCR) intensity. Recently the maximum phase of the current solar cycle (SC) 24, in many relations anomalous when compared with solar cycles of the second half of the 20-th century, came to the end. The corresponding phase in the GCR intensity cycle is also in progress. In this paper we study different aspects of the sunspot, heliospheric and GCR behavior around this phase. Our main conclusions are as follows: 1) The maximum phase of the sunspot SC 24 ended in 06.2014, the development of the sunspot cycle being similar to those of SC 14, 15 (the Glaisberg minimum). The maximum phase of SC 24 in the GCR intensity is still in progress. 2) The inversion of the heliospheric magnetic field consists of three stages, characterized by the appearance of the global heliospheric current sheet (HCS), connecting all longitudes. In two transition dipole stages beside the global HCS there are additional local HCSs, while the inversion stage lies between two transition dipole ones and there is no global HCS in this stage. The inversion stage of the current SC 24 is the longest when compared with those for SC 21-23. The second transition dipole stage and hence the whole inversion period of the heliospheric magnetic field in SC 24 provisionally ended in 08.2014. 3) The behavior of the GCR intensity in the period of the sunspot maximum phase and the inversion of the heliospheric magnetic fields for SC 21-23 demonstrates all the characteristic features for this period: the two-gap structure corresponding to two-peak structure in the sunspot activity, and the energy hysteresis. In the current SC 24 the GCR intensity shows rather unusual features and we should wait for one or even two years to see the whole picture.

연구 동기 및 목표

• 이전 사이클들(SC 20–23)과 비교하여 태양활동 24번 사이클의 최대기 동안의 이례적인 행동, 특히 sunspot 면적과 GCR 강도의 특성을 조사하기 위해.
• 제안된 HMF 극성 분포의 분류 체계를 통해 헬리오스피어 자기장(HMF) 극성 역전의 물리적 의미를 명확히 하기 위해.
• 고태양활동 단계에서 HMF 극성 변화, sunspot 활동, 그리고 GCR 강도 조절 간의 상관관계를 검토하기 위해.
• 관측된 GCR 강도 패턴—특히 지연된 이중간극 구조와 에너지 히스테리시스—이 이전 사이클에서의 일반적인 행동과의 이탈을 평가하기 위해.

제안 방법

• 태양활동 지표로 사용하기 위해 그린위치-미국공보청(USAF) 및 1870년 이전 복원자료로부터의 카링턴 회전 평균 sunspot 면적 데이터(Sss(t))를 활용하였다.
• 윌콕스 태양관측소에서 제공한 헬리오스피어 자기장(HMF) 파ameters를 사용하였으며, 이에는 준기울기 각도(αqt), 고위도 선형성 성분(Bls^pol), 그리고 구면조화함수 계수들이 포함되었다.
• GCR에 대한 조절 효과 평가를 위해 OMNI 데이터베이스의 HMF 강도(Bhmf) 데이터를 적용하였다.
• 모스크바 및 무르만스크에서의 성층기 발사체 모니터링(RBM) 데이터를 중간에너지(Jint, Teff ≈ 3 GeV) 및 저에너지(GCR 강도, Jlow, 수백 MeV)의 지표로 사용하였다.
• 중성자 모니터링 데이터(Moscow)를 고에너지 GCR 강도(Jhigh, Teff ≈ 15 GeV)의 지표로 활용하였다.
• HMF 극성 분포를 세 단계로 분류: '전이 이형극자'(A>0 및 A<0), '역전'(전역 HCS 없음), αqt를 사용해 단계 간 전이를 정의하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양활동 24번 사이클의 최대기 동안 sunspot 면적과 GCR 강도 행동 측면에서 이전 사이클들과 어떻게 다를까?
• RQ2 SC 24의 HMF 극성 역전 기간은 SC 21–23와 비교해 얼마나 길며, 헬리오스피어 전류면(HCS) 구조와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ3 SC 24에서 관측된 GCR 강도의 이중간극 구조와 에너지 히스테리시스는 이전의 짝수 및 홀수 사이클에서 관측된 패턴과 얼마나 다를까?
• RQ4 HMF 극성 전이의 시기와 형태는 최대기 동안의 Gnevyshev 갭과 sunspot 활동 피크와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ5 SC 24에서 첫 번째 GCR 강도 갭의 지연된 발생은 HMF 강도의 진화와 우주선 조절의 특성에 대해 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• 태양활동 24번 사이클의 sunspot 면적 최대기 시점은 2014년 6월에 종료되었으며, 이 사이클의 발달 양상은 SC 14와 SC 15(글레이스버그 최소기)와 유사하였다.
• SC 24의 HMF 역전은 기록상 가장 길었으며, '역전' 단계(전역 HCS 없음)가 SC 21–23보다 현저히 오래 지속되었다.
• SC 24의 HMF 극성 역전의 두 번째 '전이 이형극자' 단계는 2014년 8월에 종료되었지만, 북반구 고위도 SMF 강도가 낮아 2015년까지 이 구성이 유지될 것으로 예상되었다.
• SC 24의 GCR 강도는 첫 번째 갭이 지연되어 2012년 2월에 발생했으며, 고에너지 입자에 대해 두 번째 갭이 명확히 관측되지 않아 이례적인 조절 행동을 보였다.
• SC 24의 에너지 히스테리시스 루프는 넓었으며, 짝수 사이클에 기대되는 바와 일치하지만, 아직 최대기 상태가 지속되고 있어 전체적인 구조는 완전히 규명되지 않았다.
• SC 24의 HMF '역전' 기간은 sunspot 면적과 HMF 강도의 Gnevyshev 갭보다 약간 이전에 중심을 두었으며, 이는 이전 사이클에서 관찰된 일반적인 패턴과 일치하였다.