[논문 리뷰] Recovery of 150-250 MeV/nuc Cosmic Ray Helium Nuclei Intensities Between 2004-2010 Near the Earth, at Voyager 2 and Voyager 1 in the Heliosheath - A Two Zone Helioshpere

W. R. Webber, F. B. McDonald외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 08.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 33인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 2004–2010년 동안 지구(IMP/ACE) 및 헬리오스피어 내부에서 관측된 150–250 MeV/nuc 우주선 He 핵의 회복을 모델링한다. 두 영역으로 나누어진 헬리오스피어 운반 모델을 제안하며, 내부 헬리오스피어와 헬리오스피어 외부(헬리오시스)의 확산 계수를 별도로 설정한다. 이 모델은 헬리오시스가 내부 헬리오스피어보다 약 5배 낮은 확산을 보이는 확산 장벽으로 작용하며, 모든 위치에서 관측된 강도 변화를 몇 퍼센트 이내로 설명한다. 미세한 불일치는 10%의 헬리오스피어 압축으로 설명된다.

ABSTRACT

The recovery of cosmic ray He nuclei of energy ~150-250 MeV/nuc in solar cycle #23 from 2004 to 2010 has been followed at the Earth using IMP and ACE data and at V2 between 74-92 AU and also at V1 beyond the heliospheric termination shock (91-113 AU). The correlation coefficient between the intensities at the Earth and at V1 during this time period is remarkable (0.921), after allowing for a ~0.9 year delay due to the solar wind propagation time from the Earth to the outer heliosphere. To describe the intensity changes and to predict the absolute intensities measured at all three locations we have used a simple spherically symmetric (no drift) two-zone heliospheric transport model with specific values for the diffusion coefficient in both the inner and outer zones. The diffusion coefficient in the outer zone, assumed to be the heliosheath from about 90 to 120 (130) AU, is determined to be ~5 times smaller than that in the inner zone out to 90 AU. This means the Heliosheath acts much like a diffusing barrier in this model. The absolute magnitude of the intensities and the intensity changes at V1 and the Earth are described to within a few percent by a diffusion coefficient that varies with time by a factor ~4 in the inner zone and only a factor of ~1.5 in the outer zone over the time period from 2004-2010. For V2 the observed intensities follow a curve that is as much as 25% higher than the calculated intensities at the V2 radius and at times the observed V2 intensities are equal to those at V1. At least one-half of the difference between the calculated and observed intensities between V1 and V2 can be explained if the heliosphere is squashed by ~10% in distance (non-spherical) so that the HTS location is closer to the Sun in the direction of V2 compared to V1.

연구 동기 및 목표

• 2004년에서 2010년 사이 태양활동 주기 #23 기간 동안 고에너지 우주선 He 핵(150–250 MeV/nuc)의 회복을 이해하기 위해.
• 지구, 바이저너 1, 바이저너 2에서 관측된 강도 변화를 헬리오시스 전역에서 설명하기 위해.
• 모든 세 위치에서 절대 강도와 시간에 따른 변화를 정확히 예측할 수 있는 두 영역 헬리오스피어 운반 모델을 개발하기 위해.
• 헬리오시스의 확산 역할과 비구형 기하학적 구조가 모델과 관측 강도 간의 불일치를 설명하는 데 기여하는 정도를 조사하기 위해.

제안 방법

• 구형 대칭의 두 영역 헬리오스피어 운반 모델을 사용하며, 내부 영역(약 90 AU 이내)과 외부 영역(헬리오시스, 약 90–130 AU)에 대해 각각 별도의 확산 계수를 설정한다.
• 태양풍이 지구에서 외부 헬리오스피어로 전파되는 데 약 0.9년의 시간 지연을 고려한다.
• 확산 계수를 시간에 따라 변화시킬 수 있도록 설정하며, 2004년에서 2010년 사이에 내부 영역에서 약 4배, 외부 영역에서 약 1.5배의 변화를 허용한다.
• 시간에 따라 변화하는 확산 계수를 사용하여 지구, 바이저너 1, 바이저너 2에서의 강도를 예측하고, IMP, ACE, 바이저너 1, 바이저너 2에서의 관측 데이터와 비교한다.
• 비구형 헬리오스피어 모델을 시험하여, 바이저너 1과 바이저너 2 간의 관측 강도 차이를 설명하기 위해 헬리오스피어를 10% 압축하는 가정을 한다.
• 관측 강도와 모델 강도 간의 상관계수를 사용하여 모델을 검증하며, 지구와 바이저너 1 간의 강도에 대해 높은 상관관계(0.921)를 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지구, 바이저너 1, 바이저너 2에서 2004년에서 2010년 사이 150–250 MeV/nuc 우주선 He 핵의 강도는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 내부 및 외부 헬리오스피어에서 관측된 강도 변화와 절대 강도 수준을 가장 잘 재현하는 확산 계수 값은 무엇인가?
• RQ3 왜 바이저너 2에서 관측된 강도가 모델 예측보다 최대 25% 높은가? 이는 헬리오스피어 기하학으로 설명될 수 있는가?
• RQ4 헬리오시스는 내부 헬리오스피어에 비해 얼마나 중요한 확산 장벽으로 작용하는가?
• RQ5 시간에 따라 변화하는 확산 계수를 가진 두 영역 운반 모델이 헬리오스피어 전역에서 강도 변화를 정확히 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 지구와 바이저너 1에서의 관측 강도 간 상관계수는 0.921로, 태양풍 전파 지연 약 0.9년을 고려한 후에도 강한 일致성을 확인한다.
• 외부 헬리오스피어(헬리오시스)의 확산 계수는 내부 헬리오스피어보다 약 5배 작으며, 이는 헬리오시스가 중요한 확산 장벽으로 작용함을 시사한다.
• 시간에 따라 변화하는 확산 계수를 사용하여 모든 세 위치에서 절대 강도를 몇 퍼센트 이내로 재현할 수 있다: 2004년에서 2010년 사이에 내부 영역에서 약 4배, 외부 영역에서 약 1.5배의 변화를 반영한다.
• 바이저너 2에서의 관측 강도는 모델 예측보다 최대 25% 높으며, 때로는 바이저너 1의 강도와 일치하기도 한다.
• 바이저너 2에서 모델과 관측 간의 관측 불일치의 최소 절반은 헬리오스피어의 10% 압축으로 설명될 수 있으며, 이는 바이저너 2 방향으로 헬리오스피어 종료 충격면까지의 거리를 줄이는 데 기여한다.
• 공간적·시간적으로 변화하는 확산 계수를 가진 두 영역 모델은 고에너지 우주선 He 핵의 헬리오스피어 전역에서의 회복을 성공적으로 기술한다.