[논문 리뷰] The two-step Forbush decrease: a tale of two substructures modulating galactic cosmic rays within coronal mass ejections

Miho Janvier, P. Démoulin외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 29.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 57인용 수 19

한 줄 요약

이 연구는 17년간의 ACE 데이터와 중성자 모니터 관측을 이용한 초점시점 분석을 통해 간성우주선(고에너지 우주선, GCR) 강도의 포르비시 감소(FDs)를 유도하는 간성간 플라즈마 코로나질량방출(ICMEs)의 역할을 조사한다. 자기방출물질(MEs)만으로도 전류층이 없는 상태에서 두 단계로 이루어진 의미 있는 FDs를 유도할 수 있음을 입증하였으며, 자기장 강도가 변동성보다 주요 원인임을 밝혀냈다. 복구 단계에서는 헬리오스피어 플럭스 기울기와 연관된 이방성 GCR 수준을 보였다.

ABSTRACT

Interplanetary Coronal Mass Ejections (ICMEs) are known to modify the structure of the solar wind as well as interact with the space environment of planetary systems. Their large magnetic structures have been shown to interact with galactic cosmic rays, leading to the Forbush decrease (FD) phenomenon. We revisit in the present article the 17 years of Advanced Composition Explorer spacecraft ICME detection along with two neutron monitors (McMurdo and Oulu) with a superposed epoch analysis to further analyze the role of the magnetic ejecta in driving FDs. We investigate in the following the role of the sheath and the magnetic ejecta in driving FDs, and we further show that for ICMEs without a sheath, a magnetic ejecta only is able to drive significant FDs of comparable intensities. Furthermore, a comparison of samples with and without a sheath with similar speed profiles enable us to show that the magnetic field intensity, rather than its fluctuations, is the main driver for the FD. Finally, the recovery phase of the FD for isolated magnetic ejecta shows an anisotropy in the level of the GCRs. We relate this finding at 1 au to the gradient of the GCR flux found at different heliospheric distances from several interplanetary missions.

연구 동기 및 목표

• 간성우주선(GCR) 강도의 포르비시 감소(FDs)를 유도하는 전류층과 자기방출물질의 상대적 역할을 규명하기 위해.
• 전류층이 없는 조건에서 자기방출물질(MEs)만으로도 의미 있는 FDs를 유도할 수 있는지 평가하기 위해.
• FD 크기에 영향을 주는 자기장 강도와 자기장 변동성 간의 영향을 분리하여 분석하기 위해.
• 고립된 MEs 이후 GCR 복구 단계에서 관찰되는 이방성과 헬리오스피어 기울기 간의 연관성을 조사하기 위해.

제안 방법

• 17년간의 고급 조성 탐사선(ACE)의 현장 ICME 데이터에 초점시점 분석(Sea)를 적용하였다.
• 맥마코도 및 오우루의 중성자 모니터 데이터를 사용하여 GCR 강도 변화를 추적하였다.
• 다중경계 초점시점 분석을 수행하여 시간 축을 ME 시작 및 종료 시간에 맞춰 일관된 비교가 가능하도록 정규화하였다.
• 전류층이 있는가 없는가에 따라 ICME 샘플을 비교하였으며, ME 내 평균 자기장 강도가 동일하도록 매칭하였다.
• 플라즈마 파am터(속도, 온도, 밀도)와 자기장 변동성(rmsB)을 분석하여 FD의 원인을 분리하였다.
• FD 복구 단계의 이방성과 여러 간성간 탐사선이 관측한 GCR 플럭스 기울기 간의 상관관계를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전류층이 없는 조건에서 자기방출물질(MEs)만으로도 의미 있는 포르비시 감소(FDs)를 유도할 수 있는가?
• RQ2 ICMEs에서 FD 크기에 영향을 주는 주요 원인은 자기장 강도인지, 자기장 변동성인지?
• RQ3 평균 자기장 강도가 동일한 조건에서 FD를 유도하는 ICME와 유도하지 않는 ICME의 플라즈마 파am터와 자기장 프로파일은 어떻게 다를까?
• RQ4 왜 고립된 MEs 이후 FD의 복구 단계에서 GCR 수준이 이방성으로 나타나는가?
• RQ5 관측된 GCR 이방성은 다양한 거리에서 측정된 헬리오스피어 플럭스 기울기와 어떻게 관련이 있는가?

주요 결과

• 전류층이 없는 조건에서 자기방출물질(MEs)만으로도 전류층이 있는 경우와 유사한 강도의 의미 있는 포르비시 감소(FDs)를 유도할 수 있으며, 이는 전류층이 강력한 FDs를 유도하기 위해 필수적이라는 가정에 도전한다.
• 자기장 강도가 변동성(rmsB)보다 FD 크기에 더 큰 영향을 미치며, 동일한 평균 자기장 강도를 가진 경우에도 자기장 프로파일이 다르면 FD의 폭이 달라진다.
• FD를 유도하는 ICME는 평균 자기장 강도가 동일한 조건에서 비대칭적이거나 단조롭게 증가하는 프로파일을 보이는 비FD 사례보다 ME 내에서 더 균형 잡힌 자기장 프로파일을 보인다.
• FD를 유도하는 MEs는 더 높은 속도를 가지며, 이는 1 AU까지 도달하는 데 더 짧은 전파 시간을 의미한다. 결과적으로 GCR 밀도가 낮은 '공실' 상태의 플럭스 로프를 형성하는 반면, 느린 '채워진' MEs와는 대비된다.
• 고립된 MEs 이후 FD의 복구 단계에서는 GCR 수준이 이방성을 보이며, 이는 여러 간성간 탐사선이 관측한 헬리오스피어 GCR 플럭스 기울기와 상관관계가 있다.
• 이 연구는 ME의 전반적인 자기장 구성, 특히 자기장 강도와 전파 시간이 FD 강도를 결정짓는다고 규명하였으며, 국소적 난류는 보조적 역할을 한다.