[논문 리뷰] GeoMag and HelMod webmodels version for magnetosphere and heliosphere transport of cosmic rays

P. Bobík, M. Boschini외 11명|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 19.

Ionosphere and magnetosphere dynamics인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 행성간 자기폭발 방사선의 헬리오스피어와 지구 자기권을 통한 운반을 시뮬레이션하기 위한 웹 기반 모델인 GeoMag 및 HelMod를 제시한다. HelMod는 1990–2007년 동안 1 AU에서 양성자 플럭스의 태양 조절을 모델링하기 위해 페일러 운반 방정식의 몬테카를로 해법을 사용한다. GeoMag는 Tsyganenko 96/05 외부 및 IGRF-11 내부 자기장 모델을 사용하여 수직으로 도착하는 입자를 역추적하여 강도 절단값과 궤도 특성을 계산한다. 주요 기여는 고도가 높은 위도에서 최대 25%의 오차가 발생할 수 있는 수직 근사의 정밀도를 정량화한 공개 가능한 웹 인터페이스를 제공하는 것이다.

ABSTRACT

We implemented a website to deal with main effects on Cosmic Ray access to the Earth, i.e. the Solar Modulation and the Geomagnetic Field effect. In helmod.org the end user can easily access a web interface to results catalog of the HelMod Monte Carlo Code. This Model uses a Monte Carlo Approach to solves the Parker Transport Equation, obtaining a modulated proton flux for a period (monthly average) between January 1990 and december 2007. geomagsphere.org is instead based on GeoMag Backtracing Code, that solves the Lorentz equation with a Runge-Kutta method of 6th order, and, reversing charge sign and velocity, reconstruct particle trajectories in the Earth Magnetosphere back in time. We use last models of internal (IGRF-11) and external (Tsyganenko 1996 -T96- and 2005 -T05-) field components valid up to 2015. Particles are backtraced to the outer (magnetopause) or inner boundary to separate Primary (allowed trajectory) from Secondary (forbidden) Cosmic Rays. This code has been used both for reproducing known effects as East-West effect and rigidity cutoff calculations. In geomagsphere.org the user can choose the external field model from Tsyganenko (T96 or T05) and obtain for a fixed position and date from 1st Jan. 1968 (T96) and 1st Jan. 1995 (T05) respectively till 31$^{st}$ Dec 2012, the vertical rigidity cutoff estimation obtained with the backtracing technique with a rigidity step of 0.1 GV. For a more precise calculation (0.01 GV), requiring more CPU time, results are sent to the user by email (mail model)

연구 동기 및 목표

• 헬리오스피어와 지구 자기권을 통한 우주선 운반을 모델링하기 위한 접근 가능하고 웹 기반의 도구를 제공하기 위해.
• 우주선 절단 강도 계산에서 수직 근사에 의해 유도되는 오차를 정량화하기 위해.
• 최신 지구 자기장 모델을 사용하여 시간과 위치에 따라 정밀하게 변하는 우주선 강도 절단값을 추정하기 위해.
• HelMod 모델을 통해 1 AU에서 장기적이고 월 평균 양성자 스펙트럼에 접근할 수 있도록 하기 위해.
• 중성자 모니터 데이터 해석을 지원하기 위해 주요(허용됨)와 보조(금지됨) 우주선 궤도를 구분하기 위해.

제안 방법

• HelMod는 페일러 운반 방정식을 몬테카를로 방법으로 풀어 헬리오스피어 내에서 양성자 플럭스의 조절을 시뮬레이션한다.
• GeoMag는 레인지-쿠타 6차 수준의 방법을 사용하여 레이저력 방정식을 역방향으로 풀어 지구 자기권에서부터 자기장 경계면까지 입자 궤도를 역추적한다.
• 모델들은 최신 지구 자기장 모델을 통합한다: 내부 자기장은 IGRF-11, 외부 자기장은 Tsyganenko 1996/2005를 사용하며, 2015년까지 유효하다.
• 사용자는 특정 지리적 위치, 날짜, 외부 자기장 모델(T96 또는 T05)을 선택하여 수직 강도 절단값을 0.1 GV 또는 0.01 GV의 해상도로 계산할 수 있다.
• 고정밀도 0.01 GV 결과를 얻기 위해서는 컴퓨팅 자원 소모가 크기 때문에 계산 후 이메일로 결과를 전송하는 메일 모델 방식을 사용한다.
• 모델들은 동서 효과 및 강도 절단값과 같은 알려진 효과를 검증하고, 수직 대 다방향 입자 입사 접근 방식을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 방향에서 입사하는 입자에 비해 수직 근사를 사용할 경우, 우주선 절단 강도를 추정하는 데 얼마나 정확한가?
• RQ2 지구 표면에서 Tsyganenko 96과 T05 외부 자기장 모델 간의 차이가 강도 절단값 추정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다양한 위도에서 수직 대 다방향 입자 시뮬레이션을 사용할 경우, 우주선 강도는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 1990–2007년 기간 동안 태양 조절이 1 AU에서의 양성자 플럭스에 어떤 영향을 미치며, 에너지와 시간에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 GeoMag의 역추적 모델은 자기권 기하학적 특성을 바탕으로 주요 및 보조 우주선 궤도를 신뢰성 있게 구분할 수 있는가?

주요 결과

• 고위도에서 수직 근사는 우주선 강도를 최대 25% 과대평가하며, Lomnicky Stit에서는 8%, Newark에서는 12%, Oulu에서는 9%의 오차가 발생한다. 이는 다방향 시뮬레이션과 비교한 결과이다.
• Lomnicky Stit의 경우, 모든 방향에서 유입된 총 양성자 강도는 4549 protons/(m²·s·2π)였고, 수직 근사는 4943으로 9% 과대평가되었다.
• HelMod 모델은 1990년 1월 1일부터 2007년 12월 31일까지 1 AU에서 월 평균 양성자 스펙트럼을 제공하며, 23번째 태양활동의 주기를 완전히 포함하고 있으며, AMS-01 채널과 일치하는 177개의 에너지 구간을 포함한다.
• 2004년 3월 20일에 전 세계 4050개의 위치(2° 위도 × 8° 경도 격자)에 대해 효과적인 수직 절단 강도가 계산되었으며, 결과는 geomagsphere.org에서 다운로드 가능하다.
• 경도 방향 선을 따라(60°N에서 60°S까지) 수행된 다방향 시뮬레이션은 수직 근사 오차가 위도가 높을수록 증가하며, 고위도에서 최대 25%까지 도달함을 보여주었다.
• GeoMag 코드는 동서 효과와 같은 알려진 현상을 성공적으로 재현했으며, 정밀하게 강도 절단값을 계산했고, 중성자 모니터 데이터와의 비교를 통해 결과가 검증되었다.