[논문 리뷰] Low Energy Cosmic Rays and the Disturbed Magnetosphere

K. Kudela, Bucik, R.|arXiv (Cornell University)|2013. 03. 17.

Ionosphere and magnetosphere dynamics참고 문헌 16인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 2003년과 2004년의 주요 지자기 스톰 동안 지구의 자기권을 통과하는 저에너지 갤락틱 우주선의 전송 특성에 미치는 지자기 불안정성의 영향을 분석한다. 외부 자기장 모델을 사용하여 지상 중성자 모니터와 저궤도 극궤도 위성의 전송도 및 의사방향을 시뮬레이션한다. 주요 결과로는 2003년과 2004년의 주요 지자기 스톰 기간 동안 고위도에서 자기권의 절단 운동량이 동적으로 변화함에 따라 우주선 접근도에 상당한 변화가 발생함을 확인하였다.

ABSTRACT

Low energy galactic cosmic rays as well as particles accelerated to high energies either at the solar surface or in the interplanetary medium have access to the atmosphere above a given position on the Earth depending upon the state of the magnetosphere. The interpretation of the cosmic ray anisotropy, deduced from the neutron monitor (NM) network, must assume the variability of the magnetospheric configuration. Along with a short review of changes of the geomagnetic cutoffs in the disturbed magnetosphere reported in the earlier papers, we present the results of computations of transmissivity function and asymptotic directions for selected points on the ground and for a low altitude polar orbiting satellite as well. The computations, based on different available models of geomagnetic field of external sources are performed for quiet time periods and for strong geomagnetic disturbances occurred in 2003 and 2004.

연구 동기 및 목표

• 지자기 불안정성이 지구 대기권으로의 저에너지 갤럭틱 우주선 침투에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 고요한 상태와 불안정한 공간 날씨 조건에서 지자기 절단 운동량의 변화를 정량화하는 것.
• 특정 지상 관측지점과 저궤도 극궤도 위성에서의 우주선 전송도 함수 및 의사방향을 계산하는 것.
• 2003년과 2004년의 주요 지자기 스톰 기간 동안 다양한 외부 자기장 모델이 우주선 접근도에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 동적인 자기권 구성 요소를 고려함으로써 중성자 모니터의 이방성 데이터 해석을 향상시키는 것.

제안 방법

• 고요한 상태와 불안정한 상태에서의 자기권 구성 요건을 시뮬레이션하기 위해 외부 기원의 지자기장 모델을 활용하였다.
• 선택된 지상 관측 지점과 저고도 극궤도 위성에 대한 전송도 함수를 계산하였다.
• 계산된 전송도 및 자기장 구성에 기반하여 우주선의 의사방향을 결정하였다.
• 모델의 다양성에 따른 결과 민감도를 평가하기 위해 다양한 외부 자기장 모델을 적용하였다.
• 2003년과 2004년의 두 차례 주요 지자기 스톰 사건에 대해 시뮬레이션을 수행하였고, 이를 고요한 상태 조건과 비교하였다.
• 다양한 자기권 상태에서의 우주선 이방성 해석을 위한 기준으로 중성자 모니터 네트워크 데이터를 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2003년과 2004년의 지자기 불안정성은 저에너지 우주선에 대한 지자기 절단 운동량에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 주요 지자기 스톰 기간 동안 지상 중성자 모니터와 저궤도 극궤도 위성에서의 우주선 전송도는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 다양한 외부 자기장 모델은 계산된 우주선 의사방향에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 동적인 자기권은 중성자 모니터 데이터에서 관측된 우주선 이방성에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ5 고요한 상태와 불안정한 상태의 자기권 구성 조건 간에 계산된 전송도 함수는 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 강력한 지자기 스토밍 기간 동안, 특히 고위도에서 지자기 절단 운동량이 상당히 감소하는 현상을 관측하였다.
• 우주선 전송도 함수는 자기권 구성에 크게 의존하며, 극지역 및 고위도 지역에서 불안정 상태 기간 동안 접근도가 증가하는 경향을 보였다.
• 지자기 불안정성 기간 동안 우주선의 의사방향이 상당히 변화하여 입자 접근 경로가 변경됨을 시사하였다.
• 결과적으로 자기권의 변동성을 忽시할 경우 중성자 모니터의 이방성 데이터를 잘못 해석할 수 있음을 입증하였다.
• 전송도 및 의사방향 변화는 외부 자기장 기여가 증가함에 따라 오로라 및 극지역에서 가장 두드러진 것으로 나타났다.
• 모델 민감도 분석 결과, 외부 자기장 모델이 특히 스톰 기간 조건에서 계산된 우주선 전송에 상당한 영향을 미친다.