[논문 리뷰] On the GCR intensity and the inversion of the heliospheric magnetic field during the periods of the high solar activity

М. Б. Крайнев, М. С. Калинин|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 27.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 태양활동이 높은 시기 동안 은하간우주선(GCR) 강도의 双간극 구조와 에너지 히스테리시스를 설명하기 위해 태양계 자기장(HMF)의 역전과 태양활동주기 역학을 연결하는 이단계 모델을 제안한다. HMF 극성 전환이 첫 번째 GCR 강도 감소를 이끌며, 이는 전하의 부호와 무관하게 HMF 강도(BHMF) 감쇠와 관련된다. 이후 이중극성 구조가 두 번째 단계를 지배하며, 이는 특이한 태양활동주기 24에서 GCR 최소 강도를 예측하는 데 의미가 있다.

ABSTRACT

We consider the long-term behavior of the solar and heliospheric parameters and the GCR intensity in the periods of high solar activity and the inversions of heliospheric magnetic field (HMF). The classification of the HMF polarity structures and the meaning of the HMF inversion are discussed. The procedure is considered how to use the known HMF polarity distribution for the GCR intensity modeling during the periods of high solar activity. We also briefly discuss the development and the nearest future of the sunspot activity and the GCR intensity in the current unusual solar cycle 24.

연구 동기 및 목표

• 태양활동 최고기 동안 HMF 극성 전환과 GCR 강도의 이중간극 구조 사이의 물리적 연결 고리를 명확히 하기 위해.
• HMF 극성 상태(이중극, 전이 이중극, 역전)를 분류하고 각각의 GCR 조절 행동과 연결하기 위해.
• HMF 극성 분포와 축방향 자기장 역학을 사용하여 고활동 태양기 동안 GCR 강도 변화를 모델링하기 위해.
• 역사적 주기들과 비교하여 태양활동주기 24의 이례적인 행동, 특히 저활동과 지연된 GCR 조절 특성에 대해 평가하기 위해.
• 역사적 유사주기(예: 글레이스버그 최소기)를 기반으로 태양활동주기 24의 최대 sunspot 면적과 최소 GCR 강도를 추정하기 위해.

제안 방법

• 1975–2013년 연간 스무딩 자료를 사용: sunspot 면적(Sss), HMF 강도(BHMF), 고위도 태양 자기장(Bpol_ls), WSO 모델에서의 구면조화계수.
• 저에너지 GCR 강도(절단 강도 ~0.6–2.4 GV) 측정을 위해 성층권 고도의 방향계(지역기반) 모니터링(RBM)과 고에너지 GCR(Teff ~15 GeV) 측정을 위해 중성자 모니터 데이터를 활용.
• 히스테리시스 분석을 위해 고에너지 GCR 강도를 저에너지 기준선에 정규화하기 위해 선형 회귀를 적용.
• HCS 형태를 기반으로 HMF 극성 상태를 분류: 전역(HMF 극성, 저활동), 다중(HMF 전이 이중극, 중간), 비전역(HMF 역전, 고활동 단계).
• 반경방향 HMF 성분(Br^HMF)과 그 시간미분(dA/dt)을 사용하여 자기장 이동 속도를 모델링하고, q·dA/dt에 의존하는지 여부에 따라 단계를 구분.
• 과거 태양활동주기 최고기와 초기 주기 활동 간의 회귀 분석을 통해 태양활동주기 24의 최대 Sss와 최소 J를 예측.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양활동 최고기 동안 태양계 자기장(HMF)의 역전이 은하간우주선(GCR) 강도의 이중간극 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 이중극, 전이 이중극, 역전과 같은 다양한 HMF 극성 구조가 GCR 강도 조절에 있어 물리적으로 어떤 의미를 갖는가?
• RQ3 왜 태양활동주기 24에서는 이전 주기들과 비교해 GCR 강도의 에너지 히스테리시스가 덜 두드러지는가?
• RQ4 태양활동주기 24에서 HMF 역전이 지연됨에 따라 GCR 강도 최소치의 시기와 크기에는 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 역사적 유사주기(예: 글레이스버그 최소기)를 사용하여 태양활동주기 24의 최대 sunspot 면적과 최소 GCR 강도를 신뢰성 있게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 태양활동 최고기 동안 첫 번째 GCR 강도 감소는 HMF 역전과 동시에 발생하며, 입자의 전하 부호와 무관하게 HMF 강도(BHMF) 감쇠와 관련되어 있다.
• 두 번째 GCR 강도 감소는 HMF 역전 이후 1–2년 뒤에 나타나며, q·dA/dt의 부호에 따라 달라지며, 전하에 의존하는 이동 효과를 나타낸다.
• HMF 극성 분류는 세 가지 유형을 드러낸다: (1) 이중극(전역 HCS, 저활동), (2) 전이 이중극(다중 HCS, 중간), (3) 역전(전역 HCS 없음, 고활동 단계).
• 태양활동주기 24에서는 HMF 역전이 태양흑점 최고기 이전에 시작되었고, 이중피크 구조 없이 진행되어, Gnevyshev 간극이나 완전한 히스테리시스 루프가 관측되지 않았다.
• SC 24의 최대 sunspot 면적은 글레이스버그 최소기 시대(14–16기)에서 가장 높은 편에 속하며, 예측된 최대 Sss^M24는 역사적 최소 수준과 유사하다.
• SC 24의 최소 GCR 강도는 20, 21, 23기보다 略로 높게 추정되며, 이는 23/24 최소기 동안 지속적으로 높아진 GCR 수준 때문이 다.